JPH09500354A - Superconductor with high Tc formed by metal heterostructure at atomic limit - Google Patents

Superconductor with high Tc formed by metal heterostructure at atomic limit

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JPH09500354A JP7516079A JP51607994A JPH09500354A JP H09500354 A JPH09500354 A JP H09500354A JP 7516079 A JP7516079 A JP 7516079A JP 51607994 A JP51607994 A JP 51607994A JP H09500354 A JPH09500354 A JP H09500354A
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Abstract

(57)【要約】 分子ビームエピタキシー、スパッタリング、リソグラフィー、化学合成、電気化学的付着又は他の同様の技術によって人為的に実現できる原子限界におけるヘテロ構造により形成された臨界温度の高い超伝導体であって、少なくとも第1方向(y)に一定周期λp をもつ実質的に等しい元素の格子を形成する超伝導金属物質の複数の第1部分と、これら第1部分間に分離を実現するようにこれら第1部分に挿入された第1部分と異なる電子構造の物質で形成された複数の第2部分とで作られ、上記ヘテロ構造は、上記複数の第1部分が、フェルミ準位の電子に対して形状共振状態の条件を満足するようにサイズ(L)及び周期(λp )を有し、そして上記複数の第2部分が、上記第1部分を形成する超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度又はそれより小さいサイズ(W)を有することを特徴とする臨界温度の高い超伝導体。 (57) [Summary] A superconductor with a high critical temperature formed by a heterostructure at the atomic limit that can be artificially achieved by molecular beam epitaxy, sputtering, lithography, chemical synthesis, electrochemical deposition or other similar techniques. At least a plurality of first portions of the superconducting metallic material forming a lattice of substantially equal elements having a constant period λ p in at least a first direction (y) and a separation between the first portions. And a plurality of second portions formed of a substance having an electronic structure different from that of the first portion inserted in the first portion, and the heterostructure has a structure in which the plurality of first portions are electrons having a Fermi level. have a size (L) and the period (lambda p) so as to satisfy the shape resonance condition for, and said plurality of second portions, the superconducting Pipadoko of superconducting material forming said first portion Critical temperature high superconductor characterized by having a Reference length xi] 0 degree or smaller than (W).

Description

【発明の詳細な説明】 原子限界において金属ヘテロ構造により形成されたTcの高い超伝導体発明の分野 本発明は、原子限界に向かって押されたサイズLの超伝導物質の第1部分で作 られたヘテロ構造により形成されることを特徴とする臨界温度の高い超伝導体に 係る。更に、本発明は、これらの超伝導体を実現する方法に係る。先行技術の説明 良く知られたように、市場で入手できる超伝導金属は非常に低い臨界温度しか 示さないために超伝導の産業上の応用範囲が限定されている(臨界温度とは、超 伝導の始まる温度、即ちゼロ抵抗率及び反磁性の始まる温度を指す)。これらの 非常に低い温度は、数度ケルビン程度であって、低温技術を用いなければ到達で きず、これは、コストが高く且つ操作が困難であることを意味する。それ故、こ の分野の研究は、高い臨界温度を示す新しい超伝導物質を実現化することに向け られている。 この分野の最近の革新は、百度ケルビン程度の臨界温度を示すカップレートプ ロブスカイト(cuprate perovskite)における超伝導の発見である。しかし、この 種のセラミック超伝導体は、もろく、整形が困難で、且つ酸素含有量を制御下に 保持することが困難であるために、産業上の用途が限定される。これらの難題に より、これらセラミック物質を用いた超伝導電子装置の産業上の応用に限界が生 じる。 この分野の進歩に対する別の難題は、これら物質において高い温度での超伝導 を説明する理論がなく、ひいては、実験的手法によってこれら物質の進歩を推進 することができないことである。発明の要旨 ここに開示する本発明は、塊状金属の超伝導物質よりも数倍も大きな臨界温度 をもつ新規な超伝導ヘテロ構造を設計するための物理的なパラメータを定義する ことにより上記難題を克服するものである。 本発明によれば、少なくとも第1方向yに一定周期λp をもつ実質的に等しい 元素の格子を形成する超伝導物質の複数の第1部分と、これら複数の第1部分と 同じものではない物質により形成された複数の第2部分とによって作られ、上記 複数の第1部分は、上記第1方向yに測定してサイズL及び周期λp を有してい て、フェルミ準位における電子の「形状共振」の条件を満足し、そして上記複数 の第2部分は、上記複数の第1部分を形成する超伝導物質の超伝導ピパード(Pip pard) コヒレンス長さξ0 の程度のサイズWを有する(W≦ξ0 )ことを特徴と する臨界温度の高い超伝導体が提供される。 本発明は、臨界温度の高い超伝導が超伝導物質の特定の異種(ヘテロ)構造体 に関連していて、この異種構造体をカップレートプロブスカイトにおいて見出す ことができるという発見に基づく。この異種構造体は、同種の超伝導物質に比し て臨界温度の「増幅度」を決定する。それ故、臨界温度の低い超伝導金属を含む 人為的な異種構造体を形成することにより、その選択されたヘテロ構造に関連し た「増幅係数」でそれが増倍され、同種材料の場合よりも臨界温度が数倍、即ち 5又は10倍は高い人為的に配列された異種構造体を有する超伝導体が形成され る。 又、本発明は、次のことを特徴とする主たる請求項に基づいて臨界温度の高い 超伝導ヘテロ構造を実現する方法にも係る。 −金属又は非金属の物質で作られた基板を用意する。 −少なくとも方向yに選択された寸法L及び選択された間隔Wを有する超伝導 材料の複数の第1部分を上記基板に形成する。 −スペーサの役割を果たす異なる電子構造をもつ物質の第2部分を上記第1部 分に形成する。間隔Wは、上記複数の第1部分を形成する超伝導物質の超伝導ピ パードコヒレンス長さξ0 の程度でなければならない(W≦ξ0 )。 −三次元ヘテロ構造を実現するまで上記形成段階を選択された回数だけ繰り返 す。上記寸法L及び間隔Wは、超伝導金属のフェルミ準位における電子に「形状 共振」状態を実現するように選択される。特に、上記ヘテロ構造は、分子ビーム エピタキシーによって実現することができる。主たる請求項に基づいて臨界温度 の高い超伝導体を実現するが、もっと簡単な第2の方法は、超伝導物質の複数の 膜、即ち第1部分が、複数の非超伝導膜(又は臨界温度の低い超伝導体)、即ち 第2部分により分離されたもので作られた三次元ヘテロ構造であって、超伝導膜 の厚みL及び非超伝導膜の厚みWが、超伝導膜の超格子においてフェルミ準位に ある電子に「形状共振」状態を実現するような三次元ヘテロ構造の形成に関する ものである。「形状共振」状態を実現するためには、超伝導金属膜の厚みが若干 の原子層の厚み程度となり、それ故、膜厚みを原子限界において均一となるよう に制御しなければならない。図面の簡単な説明 図1は、本出願人により定められた歪んだ方形ピラミッドである異なるCuサ イト配座の縞により装飾されたBi2 Sr2 CaCu2〜8におけるCuO2 平面の構造を示す図である。 図2は、Bi2 Sr2 CaCu2〜8において実現された量子縞の超格子に より形成された原子限界における超伝導ヘテロ構造であって、本発明により約5 の係数で臨界超伝導温度の増幅を与える構造体を示す図である。 図3は、CuO2 平面における量子縞の超格子の状態密度の低質的な振る舞い を示す図で、臨界温度を上昇するためにフェルミエネルギーが状態密度の最大値 に同調されたところを示す図である。 図4ないし7は、量子井戸、量子線、量子点及び量子球の超格子により各々形 成された原子限界における超伝導ヘテロ構造の幾つかの形式を示す図である。 図8は、量子線の超格子を形成する方法を一例として示す図である。発明を実施する最良の態様 本発明は、超伝導物質を、超格子を形成する複数のユニットの形態に整形し、 各ユニットのサイズLは、少なくとも1つの次元における電子波ベクトルの量子 化の作用、即ち量子井戸、量子線又は量子点の超格子を示すように小さく、上記 超伝導超格子のフェルミ準位は、超格子のサブ帯域の底に接近してそれより上に 同調され、即ちフェルミ準位にある電子に対して「形状共振」状態と称するもの に同調されるようにすることにより、塊状同種超伝導体(金属元素、合金、金属 化合物、ドープされた半導体又は酸化物)の臨界温度Tc∞を上昇できるという 考え方に基づいている。「形状共振」状態においては、フェルミ準位は、電子を 超伝導ユニットに閉じ込めることにより人為的に形成された最大電子状態密度に 同調される。 単一の量子井戸における同様の考え方(量子の閉じ込めにより、即ちフェルミ 準位を「形状共振」状態に同調することにより超伝導の臨界温度を上昇する)が ブラット及びトンプソン(J.M.ブラット及びC.J.トンプソンのPhys .Rev.Lett.10.332(1963年);C.J.トンプソン及びJ .M.ブラットのPhys.Lett.5、6(1963年))により提案され ているが、これは、低い次元D≦2における量子の変動が単一量子井戸又は量子 線において超伝導相にストレスを及ぼすために科学団体によって見捨てられ忘れ 去られていた。 本出願人は、「形状共振」状態を単一の超伝導ユニットではなくてユニットの 「超格子」において実現して縮小サイズによる量子化の作用を示すことにより、 臨界温度Tcを上昇し、上記問題を克服できることを示すことに研究を向けた。 本出願人は、族Bi2212(化学式Bi2 Sr2 Ca1-xx Cu28+y の 銅酸化物のプロブスカイト)のセラミック超伝導体を実験照合に使用した。これ らの酸化物において、Cu酸化物の平面は均質でないことが知られており(Y. バー・ヤム氏等編集、ワールド・サイエンティフィック・パブ、シンガポール、 1992年、第65ページのA.ビアンコニ氏等著の「高いTcの超伝導体にお ける格子作用(Lattice Effects in High-Tc Superconductors)」;K.A.ミュ ーラー及びG.ベネデック編集、ワールド・サイエンティフィック・パブ、シン ガポール、1992年、第125ページのA.ビアンコニ氏の「カップレート超 伝導体における相分離(Phase Separation in Cuprate Superconductors)」)、 特に、この物質には、Cu原子と頂端酸素との間の距離が異なる値を有するドメ インがあることが知られている。本出願人は、120Kより低い温度におけるB i2 Sr2 CaCu28+y の酸化銅の平面は、図1に示すように変調された構 造を有することを立証した。この構造においては、複数のドメインがあり、即ち Cuと頂端酸素との結合が短くて(<2.4Å)、方向yに一定周期λp を有す る歪んだCuサイト配座の格子で形成されたバリアと称する巾Wの縞が、Cuと 頂端酸素との結合が長い(>2.5Å)巾Lの縞で分離されたものがある。 縞の巾Lは、長い銅−頂端酸素結合の数と、銅−頂端酸素結合の全数との比を (1988年、ニューヨーク、J.ウイリー・アンド・ソンズ出版、R.プリン ツ及びD.コニングズバーガー編集の「EXAFS、SEXAFS及びXANE SのX線吸収の原理、応用技術(X Ray Absorption Principle,Applications Te chniques of EXAFS,SEXAFS and XANES)」)に説明されたEXAFS方法を使用 して測定することにより得られており、即ちy方向の周期λp は、電子の回折に よって測定され、更に、y方向のフェルミ準位における電子の波ベクトルの成分 (kFy)は、角度分解された光放出(Z.X.シェン著のJ.Phys.Che m.Solid 53、1583(1992年)に基づく)によって測定されて いる。 Tc=84°Kで「フローティングゾーン」方法により成長された単結晶にお いて行われた測定は、変調周期λp =4.7a(但し、a=5.4Åは格子定数 である)、巾L=2.7a、及びフェルミ準位における電子の波ベクトルの成分 (kFy)〜0.38(±0.03)2π/aを生じた。短いCu−頂端酸素結合 をもつCuサイトにより特徴付けられる縞の巾Wは、120Kより低い温度範囲 において2aであることが分かった。バリアの巾W=10.8Åは、超伝導物質 の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度である。 異なるドーピングレベルを有し、異なるY含有量を有する異なる超伝導体にお いて行われた実験は、フェルミ準位を「形状共振状態」に保持することにより超 構造体が変化しそしてLがドーピングと共に変化することを示した。巾Wは、ド ーピングとは独立したものであると仮定した。というのは、これは、1ホール/ 8Cuサイトの臨界ドーピングδc=1/8における格子不安定性に関連してい るからである(W.E.ピケット氏等のPhys.Rev.Lett.62、2 751(1989年))。 それ故、巾Lの縞においてフェルミ準位にある電子は、「形状共振」状態にあ って、サイズWのバリアにより画成されたサイズLの縞に捕らえられ、周期λp の超格子(図2参照)を実現すると共に、フェルミ準位は、波ベクトルkFy〜2 π/Lをもつm=2サブ帯域の底の上に同調される。 「形状共振」状態は、図3を参照してより一般的な方法で定めることができ、 図3において、破線は、二次元の同種導通平面に対する電子状態密度対電子エネ ルギーの曲線を示し、そして実線は、図1及び2に示すヘテロ構造に対して変更 された「状態密度」対「エネルギー」曲線である。それ故、状態密度は、一次元 の縞の超格子に電子を閉じ込めることにより同種物質に比較して変更され、これ は、エネルギ-Em(但し、mは共振の数である)に新たな最大値を示し、「形 状共振」状態については、図3のように、超伝導金属のヘテロ構造により発生さ れたサブ帯域Emの底より上の状態密度/エネルギー曲線の最大値の範囲にフェ ルミ準位が同調された量子状態が意図される。 超伝導についての標準的な理論(BCS理論)に従い、無限同種物質における 通常の金属相から超伝導相への遷移に対する臨界温度Tc∞は、 (1)Tc∞ 〜 ωD exp(−1/N0 V) であり、CuO2 超伝導平面に対して、デバイ温度は、約500Kであることが 分かっており、そして積N0 Vは、約0.2であることが分かっており、但し、 N0 は、フェルミ準位における状態密度であり、そしてVは、電子−音子(ホノ ン)結合定数であり、それ故、同種CuO2 平面に対する臨界温度Tc∞は、7 −15Kの範囲内にあると推定されている。 図1に示す異種CuO2 平面であって、フェルミ準位が量子縞の超格子のm= 2サブ帯域の状態密度のm=2最大値に同調される場合には、フェルミエネルギ ーにおける状態密度N0 が高められ、そして臨界温度が高められる。トンプソン 及びブラットの解決策に従い(C.J.トンプソン及びJ.M.ブラットのPh ys.Lett.5、6(1963年))、量子縞の超格子に対する臨界温度は 次のように書き表すことができる。 (2)Tc 〜 ωD exp(−1/N0 V) exp{+k/(N0 V)} 但し、exp{+k/(N0 V)}は、量子の閉じ込めにより決定された「増幅係 数」A=Tc/Tc∞であり、kは、同種物質に対するヘテロ構造における量子 の閉じ込めと、形状共振数mとによってフェルミ準位における状態密度の有効な 増加に関連付けされる。フェルミ準位がm=2サブ帯域の底の上に同調された量 子縞の超格子の場合には、Bi2212に見られるように、係数kは、1/3で あると推定され、それ故、約5の増幅係数が得られている。臨界温度は、超格子 において、同種のCuO2 平面の場合に通常予想される値である7−15Kから 35−85Kの高い温度範囲へと高められる。 以上の説明から、本出願人は、超伝導体の物理的な構造がBi2212の酸化 銅の平面について確認される特定の状態に従うように構成され、高いTcの新た な超伝導金属物質の構造が、Bi2212に存在すると決定されているこの整然 とした非同種相の状態を再現するとすれば、例えば、ニオブ化合物に主として使 用される通常の超伝導金属において高い臨界温度の超伝導を得ることができると 推論した。 本発明によれば、高い臨界温度の超伝導体は、図2のような構造を示し、即ち 超伝導体1は、少なくとも1つの方向(この場合は方向y)に一定周期λp をも つ実質的に等しい元素の格子を形成する超伝導物質の複数の第1部分3と、これ ら複数の第1部分3と同じではない物質で形成され、これら部分3を分離するよ うに配置された複数の第2部分4とで作られた金属ヘテロ構造により形成された 原子平面のレベルにおいて絵画的に示され、このヘテロ構造において同種相の部 分3を形成する物質の臨界温度特性を増幅するプロセスを作用させるには、上記 のヘテロ構造が、図1の酸化銅平面について述べた量子ユニットの超格子を実現 することが必要である。これは、本発明によれば、y方向に測定してサイズLを もつ部分3を形成し、波長λF でフェルミ準位の電子に対して形状共振の状態を 実現することにより得られ、ここに述べるヘテロ構造におけるこの状態は、サイ ズLが次の簡単な式を満足しなければならないことを意味する。 (3)L 〜 mλF/2 更に、超格子における超伝導状態の理論とBi2212に見られるヘテロ構造 との比較から、本発明を実現化する第2の条件は、部分4が、超伝導量子状態を 安定化するために、部分3を形成する超伝導物質のピパードコヒレンス長さξ0 程度のサイズWを有していなければならないことであると推測される。「程度の サイズ」については、ここ及び以下の説明では、超伝導部分間にジョセフソン結 合を有するために、Xを1ないし100の範囲とすれば、Wの値はξ0 /xでな ければならないと言える。Bi2212の場合には、x〜1を有するが、ξ0 の 大きなシステムでは、x>1を使用しそしてWを減少することができる。しかし ながら、いずれの場合にも、Wは、超伝導部分間の単一粒子ホッピングの確率を 減少すると共に、超格子サブ帯域の分散を減少するに充分なほど大きくなければ ならない。 図2に示したヘテロ構造の実現化を詳細に述べると、臨界温度の高い超伝導体 は、複数の平行な原子平面2によって形成され、そして各平面2は、超伝導金属 物質(この定義ではドープされた酸化物も含む)により形成された複数の縞3を 含み、これらは、上記式(3)により、縞3におけるフェルミ準位の電子の波長 の半分の整数に等しい巾Lを有する。更に、平面2は、縞3に交互に設けられた 複数の第2の縞4も含み、これらは、第1の縞を形成するものとは異なる電子構 造をもつ物質であって、臨界温度の低い金属又は非金属(非金属は有機化合物の ような物質も指す)で形成される。縞4は、上記の要件に基づき、縞3を形成す る超伝導物質のピパードコヒレンス長さξ0 の程度の巾Wを有し、更に、三次元 超伝導相を安定化するためには、ピパードコヒレンス長さξ0 の程度の距離hに 量子縞の超格子で装飾された隣接する平行な超伝導平面をz方向に有することも 必要である。 図2に示す構造をもつ超伝導体1の場合に、式(2)を適用することができ、 従って、縞3を形成している超伝導物質が分かれば、改善された臨界温度を予想 することができ、換言すれば、所望の程度の形状共振にフェルミ準位を同調する ように、縞3を形成する超伝導物質と図2に示すヘテロ構造を形成する超格子の 成分のサイズとを選択することにより、所望の臨界温度をもつ超伝導体を「演繹 的に」実現することができる。フェルミ準位を低い次数mの形状共振に同調する 超伝導縞の小さなサイズに対し、大きな増幅が得られる。更に、式(2)におけ るヘテロ構造の増幅係数は、式(1)の項exp(−1/N0 V)の作用を抑制 し、これは臨界温度を減少し、それ故、大きなωD をもつ超伝導物質により形成 されたヘテロ構造において増幅係数は更に有効なものとなる。 図4には、臨界温度の高い超伝導体10が示されており、これは、図2に示し たものとは異なる構造を有するが、本発明のパラメータに基づいて構成されたも ので、特に、複数の第1超伝導層11が、これと同じ物質でないものにより形成 された第2の層12と交互に配置されて形成され、層11は選択された厚みLを 有し、そして層12は選択された厚みWを有し、フェルミ準位を超格子の形状共 振状態に同調すると共に、W≦ξ0 としている。 図5には、本発明により実現された高い臨界温度を有する超伝導体20の第3 の例が示されており、この超伝導体20は、超伝導物質で作られた複数の線21 により形成され、これらは、互いに平行であって、三次元格子を形成し、線21 と同じ物質でないもので形成されたマトリクス22に埋設される。方形又は円で ある線の断面は、選択された形状共振状態を満足するために選択されたサイズL を有し、そしてマトリクス22において間隔Wだけ分離される。 一般に、超格子において「形状共振状態」を満足しなければならないサイズL を決定するために、縞、層又は線間の無視できる単一粒子ホッピングの限界内で 次の式を使用することができる。 (4)kF 〜 (2π/L)(m/2) 但し、kF は、超伝導物質のフェルミ準位にある電子の波ベクトルである。更に 一般的に、図3に示した「形状共振」の状態は、次のように書き表すことができ る。 (5)EF 〜 Em これは、フェルミエネルギーが電子状態密度の人為的な最大値に同調されること を意味し、超伝導ユニット間の無視でないホッピングに対し超格子サブ帯域の分 散により状態(4)の考えられるシフトを考慮している。 更に、式(4)を用いることにより得たLの値が小さくて超伝導部分を実現す ることが困難である場合には、「形状共振」状態に対して次の式を使用すること ができる。 (6)|kF −G| 〜 (2π/L)(m/2) 但し、Gは、超伝導物質の逆格子のベクトルであり、kF は、フェルミ準位にあ る電子の波ベクトルであり、そしてmは整数である。 図6は、本発明により実現化された高い臨界温度をもつ超伝導体30の別の例 であり、超伝導体30は、三次元格子32を形成する超伝導物質で作られた複数 の球状核31によって形成され、これらは、超伝導核31と同じ物質ではないも ので形成されたマトリクス33に埋設される。核のサイズはLであり、Wで分離 される。 更に、図7は、超伝導体30と同様に本発明により実現化された高い臨界温度 をもつ超伝導体40を示すが、超伝導物質は、三次元格子を形成するサイズLの 複数の空の球41で形成され、これらは、超伝導球41と同じ物質ではないもの で形成されたマトリクス42に埋設され、球と球との間に分離Wを与える。 本発明により高い臨界温度をもつ超伝導ヘテロ構造を実現化する別の選択は、 Bi2212の超伝導平面の構造(図1)を複写し、第2部分4を形成する物質 が、結晶格子のレベルにおいてのみ、第1部分を形成する物質と異なる図2のよ うな超格子を形成することである。 最後に、本発明による高い臨界温度をもつ超伝導体は、Lが所与の式(4)、 (5)及び(6)の1つに基づき「形状共振」状態を満足しなければならず且つ Wが超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度であるか又はそれより小さいとい う上記構造の1つを有していなければならない。 図2、4、5、6及び7について述べた超伝導物質は、カップレートの場合の ように同種物質の化学的反応及び/又はドーピングによって実現することもでき るし、又は量子線の超格子(図8)について以下に述べるように本発明によるヘ テロ構造を作ることによって実現することもできる。即ち、金属又は非金属で作 られた基板50の原子レベルにおいて平らな面を先ず形成し、それに続く段階に おいて、基板とは異なる超伝導物質で複数の超伝導ユニット51が作られ、これ らユニット51は、分子ビームエピタキシー又は他の同等の技術(例えば、スパ ッタリング、リソグラフィー、化学合成、電気化学付着)により得られる。ユニ ット51は、選択された間隔Wだけ分離されて、少なくとも1つの方向yに超格 子を形成するサイズLの同じユニットの格子を実現するよう配置され、超格子に おける「形状共振」の上記条件を満足し、界面のストレスを減少するためには異 なる成分の結晶面の良好な格子一致が要求され、次の段階において、基板50及 び超伝導ユニット51をカバーするように物質52が配置され、最後の2つの段 階が固定の回数だけ繰り返されて、三次元の金属ヘテロ構造60が作られる。図 4の超伝導体10の場合には、「形状共振」状態(量子井戸)を満足する厚みを 有する超伝導層の人為的な超格子を形成する方法は、主として、分子ビームエピ タキシー又は他の同等の技術(例えば、スパッタリング、リソグラフィー、化学 合成、電気化学的付着)を一定の回数行うことにより層11及び12を交互に付 着し、三次元の金属ヘテロ構造10を実現することより成り、この場合は、界面 に良好な結晶格子の一致をもつ物質11及び12を見出しそして原子レベルで平 らな面を成長するように注意しなければならない。産業上の利用性 臨界温度の高い金属ヘテロ構造は、超伝導物質を用いる電子装置の製造に適用 することができ、ここでは、幾つかの例しか示さないが、その用途は広く、SQ UID、ジョセフソン接合、赤外線検出器、粒子検出器、高周波フィルタ等が挙 げられる。Description: High Tc superconductor formed by a metal heterostructure at the atomic limit Field of the invention The present invention is made with a first part of a size L superconducting material pushed towards the atomic limit. A superconductor having a high critical temperature, which is characterized in that it is formed by a heterostructure. Furthermore, the invention relates to a method for realizing these superconductors. DESCRIPTION OF THE PRIOR ART As is well known, commercially available superconducting metals exhibit only a very low critical temperature, which limits the industrial application of superconductivity. The onset temperature of zero, that is, the zero resistivity and the onset temperature of diamagnetism). These very low temperatures, on the order of a few degrees Kelvin, are unattainable without the use of cryogenic techniques, which means they are costly and difficult to operate. Therefore, research in this field is directed towards the realization of new superconducting materials with high critical temperatures. A recent innovation in this field is the discovery of superconductivity in cuprate perovskite, which exhibits a critical temperature on the order of 100 degrees Kelvin. However, ceramic superconductors of this type are fragile, difficult to shape, and difficult to keep oxygen content under control, which limits their industrial application. These challenges limit the industrial application of superconducting electronic devices using these ceramic materials. Another challenge to advances in this field is the lack of theory to explain superconductivity at high temperatures in these materials, and thus the inability to drive advances in these materials by experimental techniques. SUMMARY OF THE INVENTION The invention disclosed herein overcomes the above challenges by defining the physical parameters for designing a novel superconducting heterostructure with a critical temperature that is several times greater than the bulk metal superconducting material. It is to overcome. According to the invention, a plurality of first portions of superconducting material forming a lattice of substantially equal elements having a constant period λ p in at least a first direction y, and not the same as these first portions. A plurality of second portions formed of a material, the plurality of first portions having a size L and a period λ p measured in the first direction y, of the electrons at the Fermi level. The condition of “shape resonance” is satisfied, and the plurality of second portions have a size W of a degree of superconducting Pip pard coherence length ξ 0 of the superconducting material forming the plurality of first portions. There is provided a superconductor having a high critical temperature characterized by having (W ≦ ξ 0 ). The present invention is based on the discovery that high critical temperature superconductivity is associated with a particular heterostructure of a superconducting material, which heterostructure can be found in a cuprate perovskite. This dissimilar structure determines the "amplification degree" at the critical temperature compared to the same kind of superconducting material. Therefore, by forming an artificial dissimilar structure containing a superconducting metal with a low critical temperature, it is multiplied by the "amplification factor" associated with the selected heterostructure, and more so than with homogeneous materials. A superconductor having an artificially arranged dissimilar structure having a critical temperature several times higher, that is, 5 or 10 times higher, is formed. The invention also relates to a method for realizing a superconducting heterostructure with a high critical temperature, based on the main claims characterized by: -Providing a substrate made of a metallic or non-metallic substance. Forming a plurality of first portions of superconducting material on the substrate, the first portions having a selected dimension L and a selected spacing W in at least the direction y; Forming on said first part a second part of a material having a different electronic structure which acts as a spacer. The spacing W must be of the order of the superconducting Pippard coherence length ξ 0 of the superconducting material forming the plurality of first portions (W ≦ ξ 0 ). Repeating the above forming steps a selected number of times until a three-dimensional heterostructure is realized. The dimension L and the spacing W are selected to achieve a "shape resonance" state for electrons in the Fermi level of superconducting metals. In particular, the heterostructure can be realized by molecular beam epitaxy. A second method, which is simpler to achieve a higher critical temperature superconductor according to the main claim, is that a plurality of films of superconducting material, i.e. the first part, are provided with a plurality of non-superconducting films (or critical films). A superconductor having a low temperature), that is, a three-dimensional heterostructure made of those separated by a second portion, wherein the thickness L of the superconducting film and the thickness W of the non-superconducting film are It relates to the formation of a three-dimensional heterostructure that realizes a "shape resonance" state for electrons at the Fermi level in the lattice. In order to realize the "shape resonance" state, the thickness of the superconducting metal film is about the thickness of a few atomic layers, and therefore the film thickness must be controlled to be uniform at the atomic limit. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows the structure of a CuO 2 plane in Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O ~8 decorated by stripes of different Cu site conformations is a square pyramid distorted defined by the applicant It is a figure. FIG. 2 is a superconducting heterostructure at the atomic limit formed by a quantum fringe superlattice realized in Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O ˜8 , according to the present invention, with a critical superconducting temperature of about 5 by a factor of about 5. FIG. 3 shows a structure that gives amplification. FIG. 3 is a diagram showing the low-quality behavior of the quantum fringe superlattice in the CuO 2 plane, in which the Fermi energy is tuned to the maximum value of the state density in order to raise the critical temperature. is there. 4 to 7 are diagrams showing several types of superconducting heterostructures at the atomic limit formed by superlattices of quantum wells, quantum wires, quantum dots, and quantum spheres. FIG. 8 is a diagram showing, as an example, a method of forming a superlattice of quantum wires. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention shapes a superconducting material into a plurality of units forming a superlattice, the size L of each unit being a function of the quantization of an electron wave vector in at least one dimension. , Ie, small, to indicate a quantum well, quantum wire or quantum dot superlattice, the Fermi level of the superconducting superlattice is tuned closer to the bottom of the subband of the superlattice, ie the Fermi The criticality of massive homogeneous superconductors (metal elements, alloys, metal compounds, doped semiconductors or oxides) by being tuned to what is called a "shape resonance" state for the electrons in the levels. It is based on the idea that the temperature Tc∞ can be increased. In the "shape resonance" state, the Fermi level is tuned to the maximum electronic density of states artificially created by confining electrons in the superconducting unit. A similar idea in a single quantum well (raising the critical temperature of superconductivity by confining the quantum, ie by tuning the Fermi level to a "shape resonance" state) has been reported by Brat and Thompson (JM Brat and CJ Thompson's Phys. Rev. Lett. 10.332 (1963); CJ Thompson and JM Brat's Phys. Lett. 5, 6 (1963)). , Which has been abandoned and forgotten by the scientific community because quantum fluctuations in the low dimension D ≦ 2 stress the superconducting phase in single quantum wells or quantum wires. The Applicant has increased the critical temperature Tc by realizing the "shape resonance" state in a "superlattice" of units rather than in a single superconducting unit and showing the effect of quantization by reduced size, He turned his research to showing that he could overcome problems. The applicant has used the ceramic superconductors of the family Bi2212 (perovskite of the formula Bi 2 Sr 2 Ca 1-x Y x Cu 2 O 8 + copper oxide y) to the experimental verification. In these oxides, it is known that the plane of Cu oxide is not homogeneous (edited by Y. Bur Yam et al., World Scientific Pub, Singapore, 1992, p. 65, A. Bianconi). “Lattice Effects in High-Tc Superconductors” by K. Mueller and G. Benedeck, World Scientific Pub, Singapore, 1992, No. 1 A. Bianconi, “Phase Separation in Cuprate Superconductors” on page 125), in particular, this material has domains with different values for the distance between the Cu atom and the apical oxygen. It is known that there is. The Applicant has planar copper oxide B i 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + y at a temperature lower than 120K has demonstrated to have a modulated structure as shown in FIG. In this structure, there are multiple domains, that is, the bond between Cu and the apical oxygen is short (<2.4Å), and is formed by a lattice of distorted Cu site conformations having a constant period λ p in the direction y. In some cases, stripes of width W called barriers are separated by stripes of width L in which the bonding between Cu and apical oxygen is long (> 2.5Å). The width L of the stripes is the ratio of the number of long copper-apex oxygen bonds to the total number of copper-apex oxygen bonds (1988, J. Willie and Sons Publishing, New York, R. Prinz and D. Conning). Measurement is performed using the EXAFS method described in “X Ray Absorption Principle, Applications Techniques of EXAFS, SEXAFS and XANES” ”edited by Sberger. That is, the period λ p in the y direction is measured by electron diffraction, and the component of the wave vector (k Fy ) of the electron at the Fermi level in the y direction is the angle-resolved light emission. (Based on J. Phys. Chem. Solid 53, 1583 (1992) by Z. X. Shen). Measurements carried out on single crystals grown by the "floating zone" method at Tc = 84 ° K show that the modulation period λ p = 4.7a, where a = 5.4Å is the lattice constant, width L = 2.7a, and an electron wave vector component (k Fy ) to 0.38 (± 0.03) 2π / a at the Fermi level was generated. The fringe width W, characterized by Cu sites with short Cu-apex oxygen bonds, was found to be 2a in the temperature range below 120K. The barrier width W = 10.8Å is about the superconducting Pippard coherence length ξ 0 of the superconducting material. Experiments carried out in different superconductors with different doping levels and with different Y contents showed that the superstructure was changed by holding the Fermi level in a "shape resonance state" and L changed with doping. It was shown to do. The width W was assumed to be independent of doping. This is because it is related to the lattice instability at the critical doping δc = 1/8 of 1 hole / 8 Cu site (WE Pickett et al., Phys. Rev. Lett. 62, 2). 751 (1989)). Therefore, the electrons at the Fermi level in the stripe of width L are in the "shape resonance" state and are caught in the stripe of size L defined by the barrier of size W, and the superlattice of period λ p (Fig. 2)) and the Fermi level is tuned above the bottom of the m = 2 subband with wave vector k Fy ˜2π / L. The “shape resonance” state can be defined in a more general way with reference to FIG. 3, in which the dashed line shows the curve of electronic density of states versus electron energy for a two-dimensional homogeneous conducting plane, and The solid line is the modified "density of states" vs. "energy" curve for the heterostructure shown in FIGS. Therefore, the density of states is modified by confining the electrons in a one-dimensional fringe superlattice as compared to a homogeneous material, which gives a new maximum for energy -Em, where m is the number of resonances. Values, and for the “shape resonance” state, as shown in FIG. 3, the Fermi level is in the range of the maximum value of the density of states / energy curve above the bottom of the sub-band Em generated by the heterostructure of the superconducting metal. Tuned quantum states are intended. According to the standard theory of superconductivity (BCS theory), the critical temperature Tc∞ for the transition from the ordinary metallic phase to the superconducting phase in an infinite homogeneous material is (1) Tc∞ ∼ ω D exp (-1 / N 0 V), and for a CuO 2 superconducting plane, the Debye temperature has been found to be about 500 K, and the product N 0 V has been found to be about 0.2, where N 0 is the density of states at the Fermi level, and V is the electron-phonon coupling constant, so the critical temperature Tc∞ for the homogeneous CuO 2 plane is in the range 7-15K. It is estimated that there is. In the heterogeneous CuO 2 plane shown in FIG. 1, when the Fermi level is tuned to the m = 2 maximum of the density of states of the m = 2 subband of the quantum fringe superlattice, the density of states N at the Fermi energy is 0 is increased and the critical temperature is increased. According to the solution of Thompson and Brat (CJ Thompson and JM Brat Phys. Lett. 5, 6 (1963)), the critical temperature for the quantum fringe superlattice can be written as it can. (2) Tc to ω D exp (−1 / N 0 V) exp {+ k / (N 0 V)} where exp {+ k / (N 0 V)} is an “amplification coefficient” determined by quantum confinement. A = Tc / Tc ∞ and k is related to the quantum confinement in the heterostructure for homogeneous materials and the effective increase in the density of states at the Fermi level by the shape resonance number m. In the case of a quantum fringe superlattice with the Fermi level tuned above the bottom of the m = 2 subband, the coefficient k is estimated to be 1/3, as seen in Bi2212, and therefore An amplification factor of about 5 is obtained. Critical temperature, in the superlattice is increased from a value that is normally expected in the case of CuO 2 plane of the same type 7-15K to a high temperature range of 35-85K. From the above description, the Applicant has determined that the physical structure of the superconductor is arranged to follow the specific conditions identified for the Bi2212 copper oxide plane, and the structure of the new superconducting metallic material of high Tc is , Bi2212, which is determined to exist in this orderly non-homogeneous phase state, for example, it is possible to obtain superconductivity at a high critical temperature in an ordinary superconducting metal mainly used for niobium compounds. Reasoned. According to the present invention, a high critical temperature superconductor has a structure as shown in FIG. 2, that is to say that the superconductor 1 has a constant period λ p in at least one direction (direction y in this case). A plurality of first portions 3 of superconducting material that form a lattice of substantially equal elements, and a plurality of first portions 3 that are not the same as the plurality of first portions 3 and that are arranged to separate the portions 3. Acting on the process of amplifying the critical temperature characteristic of the material shown pictorially at the level of the atomic plane formed by the metallic heterostructure made with the second part 4 and forming the homogenous part 3 in this heterostructure In order to do so, it is necessary that the above heterostructure realizes the quantum unit superlattice described for the copper oxide plane of FIG. This is obtained according to the invention by forming a part 3 having a size L as measured in the y direction and realizing a state of shape resonance for electrons of the Fermi level at wavelength λ F , where This situation in the heterostructure described in Section 1 means that the size L must satisfy the following simple equation: (3) L ~ mλ F / 2 Further, from the comparison between the theory of superconducting state in the superlattice and the heterostructure found in Bi2212, the second condition for realizing the present invention is that the part 4 is a superconducting quantum. It is presumed that, in order to stabilize the state, the superconducting material forming the portion 3 must have a size W of about the piper coherence length ξ 0 . With respect to "moderate size", here and in the following description, since X has a range of 1 to 100, W has a value of ξ 0 / x because of the Josephson coupling between the superconducting portions. It can not be said that. In the case of Bi2212, we have x˜1, but for large systems with ξ 0 we can use x> 1 and reduce W. However, in any case, W must be large enough to reduce the probability of single particle hopping between superconducting portions and reduce the dispersion of the superlattice subbands. To elaborate on the realization of the heterostructure shown in FIG. 2, a superconductor with a high critical temperature is formed by a plurality of parallel atomic planes 2 and each plane 2 is a superconducting metallic material (in this definition A plurality of stripes 3 formed by a doped oxide as well), which have a width L equal to an integer half the wavelength of the electrons of the Fermi level in the stripe 3 according to equation (3) above. Furthermore, the plane 2 also comprises a plurality of second stripes 4 alternating with the stripes 3, which are substances with an electronic structure different from those forming the first stripes, It is formed of low metals or non-metals (non-metals also refer to substances such as organic compounds). Based on the above requirements, the fringe 4 has a width W of the order of the piped coherence length ξ 0 of the superconducting material forming the fringe 3, and in order to stabilize the three-dimensional superconducting phase, It is also necessary to have adjacent parallel superconducting planes decorated with quantum fringe superlattices in the z-direction at a distance h of the order of the Pippard coherence length ξ 0 . In the case of the superconductor 1 having the structure shown in FIG. 2, the formula (2) can be applied. Therefore, if the superconducting material forming the stripes 3 is known, an improved critical temperature is expected. In other words, in order to tune the Fermi level to a desired degree of shape resonance, the superconducting material forming the fringes 3 and the size of the superlattice component forming the heterostructure shown in FIG. By choice, a superconductor with the desired critical temperature can be realized "a priori". Large amplifications are obtained for small sizes of superconducting fringes that tune the Fermi level to shape resonances of low order m. Furthermore, the amplification factor of the heterostructure in equation (2) suppresses the action of the term exp (-1 / N 0 V) in equation (1), which reduces the critical temperature and therefore a large ω D. The amplification factor becomes more effective in the heterostructure formed by the superconducting material. FIG. 4 shows a superconductor 10 having a high critical temperature, which has a different structure than that shown in FIG. 2 but is constructed according to the parameters of the invention, and in particular , A plurality of first superconducting layers 11 are formed alternating with second layers 12 formed of a material that is not the same, the layers 11 having a selected thickness L, and the layers 12 Has a selected thickness W, tunes the Fermi level to the shape resonance state of the superlattice, and sets W ≦ ξ 0 . FIG. 5 shows a third example of a superconductor 20 having a high critical temperature realized according to the present invention, which superconductor 20 comprises a plurality of wires 21 2 made of a superconducting material. Formed, they are parallel to one another and form a three-dimensional lattice, which is embedded in a matrix 22 formed of a material which is not the same as the line 21. The cross-sections of the lines, which are squares or circles, have a size L 1 selected to satisfy the selected shape resonance condition and are separated in the matrix 22 by a distance W 2. In general, the following equation can be used within the limits of negligible single particle hopping between fringes, layers or lines to determine the size L 1 that must satisfy the “shape resonance state” in the superlattice: . (4) k F to (2π / L) (m / 2) where k F is the wave vector of the electron at the Fermi level of the superconducting substance. More generally, the “shape resonance” state shown in FIG. 3 can be written as follows. (5) E F ~ Em This means that the Fermi energy is tuned to artificial maximum of the electronic density of states, the state by the dispersion of the superlattice subband to non negligible hopping between the superconducting units ( Considering possible shifts in 4). Further, when the value of L obtained by using the equation (4) is small and it is difficult to realize the superconducting portion, the following equation can be used for the “shape resonance” state. . (6) | k F −G | ~ (2π / L) (m / 2) where G is the reciprocal lattice vector of the superconducting material, and k F is the wave vector of the electron in the Fermi level. Yes, and m is an integer. FIG. 6 is another example of a superconductor 30 having a high critical temperature realized by the present invention, in which the superconductor 30 is composed of a plurality of spherical particles made of a superconducting material forming a three-dimensional lattice 32. It is formed by the nuclei 31, which are embedded in a matrix 33 formed of a material that is not the same as the superconducting nuclei 31. The size of the nucleus is L, separated by W. Furthermore, FIG. 7 shows a superconductor 40 having a high critical temperature realized by the present invention as well as the superconductor 30, but the superconducting material is composed of a plurality of voids of size L forming a three-dimensional lattice. Spheres 41, which are embedded in a matrix 42 formed of a material that is not the same as the superconducting spheres 41, to provide a separation W between the spheres. Another option to realize a superconducting heterostructure with a high critical temperature according to the invention is to duplicate the structure of the superconducting plane of Bi2212 (FIG. 1), the material forming the second part 4 being at the level of the crystal lattice. Only in order to form a superlattice as shown in FIG. 2 which is different from the material forming the first part. Finally, a superconductor with a high critical temperature according to the present invention must satisfy the "shape resonance" condition where L is based on one of the given equations (4), (5) and (6). And must have one of the above structures where W is on the order of or less than the superconducting Pippard coherence length ξ 0 . The superconducting materials described with respect to FIGS. 2, 4, 5, 6 and 7 can be realized by chemical reaction and / or doping of homogeneous materials, as in the case of the coupling, or the quantum lattice superlattice ( It can also be realized by making a heterostructure according to the invention as described below with respect to FIG. 8). That is, first, an atomically flat surface of a substrate 50 made of metal or non-metal is formed, and in a subsequent step, a plurality of superconducting units 51 are made of a superconducting material different from that of the substrate. Are obtained by molecular beam epitaxy or other equivalent techniques (eg sputtering, lithography, chemical synthesis, electrochemical deposition). The units 51 are arranged to realize a lattice of the same unit of size L forming a superlattice in at least one direction y, separated by a selected spacing W, to meet the above condition of "shape resonance" in the superlattice. Satisfactory, good lattice matching of the crystal planes of the different components is required to reduce the stress at the interface, and in the next step the material 52 is arranged to cover the substrate 50 and the superconducting unit 51, and finally The above two steps are repeated a fixed number of times to form the three-dimensional metal heterostructure 60. In the case of the superconductor 10 of FIG. 4, the method of forming an artificial superlattice of a superconducting layer having a thickness satisfying the “shape resonance” state (quantum well) is mainly based on molecular beam epitaxy or other methods. Comprising depositing layers 11 and 12 in an alternating manner by performing a certain number of equivalent techniques (eg sputtering, lithography, chemical synthesis, electrochemical deposition) to achieve a three-dimensional metal heterostructure 10. If this is the case, care must be taken to find substances 11 and 12 with a good crystal lattice match at the interface and to grow atomically flat surfaces. Industrial Applicability A metal heterostructure having a high critical temperature can be applied to manufacture of an electronic device using a superconducting material, and although only a few examples are shown here, its application is wide and SQ UID, Examples include Josephson junctions, infrared detectors, particle detectors, and high frequency filters.

【手続補正書】特許法第184条の8 【提出日】1996年2月12日 【補正内容】 明細書 原子限界において金属ヘテロ構造により形成されたTcの高い超伝導体発明の分野 本発明は、原子限界に向かって押されたサイズLの超伝導物質の第1部分で作 られた人為的なヘテロ構造により成る請求項の第1部分に基づく臨界温度の高い 超伝導体に係る。更に、本発明は、これらの超伝導体を実現する方法に係る。先行技術の説明 良く知られたように、市場で入手できる超伝導金属は非常に低い臨界温度しか 示さないために超伝導の産業上の応用範囲が限定されている(臨界温度とは、超 伝導の始まる温度、即ちゼロ抵抗率及び反磁性の始まる温度を指す)。これらの 非常に低い温度は、数度ケルビン程度であって、低温技術を用いなければ到達で きず、これは、コストが高く且つ操作が困難であることを意味する。それ故、こ の分野の研究は、高い臨界温度を示す新しい超伝導物質を実現化することに向け られている。 この分野の最近の革新は、百度ケルビン程度の臨界温度を示すカップレートプ ロブスカイト(cuprate perovskite)における超伝導の発見である。しかし、この 種のセラミック超伝導体は、もろく、整形が困難で、且つ酸素含有量を制御下に 保持することが困難であるために、産業上の用途が限定される。これらの難題に より、これらセラミック物質を用いた超伝導電子装置の産業上の応用に限界が生 じる。 この分野の進歩に対する別の難題は、これら物質において高い温度での超伝導 を説明する理論がなく、ひいては、実験的手法によってこれら物質の進歩を推進 することができないことである。 超伝導のカップレートプロブスカイトは、二次元の電子構造をもつ第1の超伝 導CuO2 層が、低いTcの金属又は絶縁材で作られた第2の阻止層によりサン ドイッチされて、c軸方向に積層された自然の超格子として説明されており、そ して同様の人為的な超格子が合成されており(フィジカル・レビュー・レターズ 第63巻、第9号、1989年8月、第1016−1019ページ、J.M.ト スコン、M.G.カーキュット、L.アントグナッザ、O.ブラナー、O.フィ ッシャーの「Y−Ba−Cu−O/Dy−Ba−Cu−O超格子;高いTcの超 伝導体の人為的な構造に向かう第1ステップ」)、又、最近の特許出願(トレイ ・インダストリーズのヨーロッパ特許出願EPA0502204A1、国際出願 番号PCT/IP91/01255、国際公告番号WO92/0514(02. 04.92 92/08);及び幾つかの文献(Physica C、第190 巻、ISSN0921−4534、第1/2号、1991年12月、第22−2 6ページ;Qi.Li.T.ベンカテサン及びX.X.Xi:「YBa2Cu37 系の超格子の成長及び超伝導特性」);(Physica C、第185−1 89巻、ISSN0921−4534、1、1991年12月、第1747−1 748ページ;M.ホルコン、J.P.コラン、及びW.A.リトル:「高いT cの超伝導カップレートの接近トンネル効果における新たな現象」)にも説明さ れている。更に、K360のようなドープされたフラレン(fullerene) の超伝導 膜は、複雑に積層されたマイクロ電子装置を製造するために形成できる(サイエ ンティフック・アメリカン(内部編集)、1991年10月、第265巻、第4 号、ISSN0036−8733、第32−41ページ、R.F.カール及びR .E.スモーレイの「フラレン(Fullerenes)」)。発明の要旨 ここに開示する本発明は、塊状金属の超伝導物質よりも数倍も大きな臨界温度 をもつ新規な超伝導ヘテロ構造を設計するための物理的なパラメータを定義する ことにより上記難題を克服するものである。 本発明によれば、少なくとも第1方向yに一定周期λp をもつ実質的に等しい 元素の格子を形成する超伝導物質の複数の第1部分であって、異なる電子構造の 第2物質により分離された第1部分で形成され、上記複数の第2部分は、上記複 数の第1部分を形成する超伝導物質の超伝導ピパード(Pippard) コヒレンス長さ ξ0 の程度のサイズWを有する(W≦ξ0 )ような臨界温度の高い超伝導体にお いて、上記複数の第1部分は、上記第1方向yに測定してサイズL及び周期λp を有し、そしてフェルミ準位における電子の「形状共振」条件を満足する電荷密 度を有することを特徴とする臨界温度の高い超伝導体が提供される。 本発明は、臨界温度の高い超伝導が超伝導物質の特定の異種(ヘテロ)構造体 に関連していて、この異種構造体をカップレートプロブスカイトにおいて見出す ことができるという発見に基づく。この異種構造体は、同種の超伝導物質に比し て臨界温度の「増幅度」を決定する。それ故、臨界温度の低い超伝導金属を含む 人為的な異種構造体を形成することにより、その選択されたヘテロ構造に関連し た「増幅係数」でそれが増倍され、同種材料の場合よりも臨界温度が数倍、もし くは100倍も高い人為的に配列された異種構造体を有する超伝導体が形成され る。 又、本発明は、次のことを特徴とする主たる請求項に基づいて臨界温度の高い 超伝導ヘテロ構造を実現する方法にも係る。 −金属又は非金属の物質で作られた基板を用意する。 −少なくとも方向yに選択された寸法L及び選択された間隔Wを有する超伝導 材料の複数の第1部分を上記基板に形成する。 −スペーサの役割を果たす異なる電子構造をもつ物質の第2部分を上記第1部 分に形成する。間隔Wは、上記複数の第1部分を形成する超伝導物質の超伝導ピ パードコヒレンス長さξ0 の程度でなければならない(W≦ξ0 )。 −三次元ヘテロ構造を実現するまで上記形成段階を選択された回数だけ繰り返 す。上記寸法L及び間隔Wは、超伝導金属のフェルミ準位における電子に「形状 共振」状態を実現するように選択される。特に、上記ヘテロ構造は、分子ビーム エピタキシーによって実現することができる。主たる請求項に基づいて臨界温度 の高い超伝導体を実現するが、もっと簡単な第2の方法は、超伝導物質の複数の 膜、即ち第1部分が、複数の非超伝導膜(又は臨界温度の低い超伝導体)、即ち 第2部分により分離されたもので作られた三次元ヘテロ構造であって、超伝導膜 の厚みL及び非超伝導膜の厚みWが、超伝導膜の超格子においてフェルミ準位に ある電子に「形状共振」状態を実現するような三次元ヘテロ構造の形成に関する ものである。「形状共振」状態を実現するためには、超伝導金属膜の厚みが若干 の原子層の厚み程度となり、それ故、膜厚みを原子限界において均一となるよう に制御しなければならない。図面の簡単な説明 図1は、本出願人により定められた歪んだ方形ピラミッドである異なるCuサ イト配座の縞により装飾されたBi2 Sr2 CaCu2〜8におけるCuO2 平面の構造を示す図である。 図2は、Bi2 Sr2 CaCu2〜8において実現された量子縞の超格子に より形成された原子限界における超伝導ヘテロ構造であって、本発明により約1 0の係数で臨界超伝導温度の増幅を与える構造体を本発明の第1の実施形態とし て示す図である。 図3は、CuO2 平面における量子縞の超格子の状態密度の低質的な振る舞い を示す図で、臨界温度を上昇するためにフェルミエネルギーが状態密度の最大値 付近に同調されたところを示す図である。 図4ないし7は、量子井戸、量子線、量子点及び量子球の超格子により各々形 成された原子限界における超伝導ヘテロ構造の幾つかの形式を本発明の他の実施 形態として示す図である。 図8は、量子線の超格子を形成する方法を一例として示す図である。発明を実施する最良の態様 本発明は、超伝導物質を、超格子を形成する複数のユニットの形態に整形し、 各ユニットのサイズLは、少なくとも1つの次元における電子波ベクトルの量子 化の作用、即ち量子井戸、量子線又は量子点の超格子を示すように小さく、上記 超伝導超格子のフェルミ準位は、超格子のサブ帯域の底に接近してそれより上に 同調され、即ちフェルミ準位にある電子に対して「形状共振」状態と称するもの に同調されるようにすることにより、塊状同種超伝導体(金属元素、合金、金属 化合物、ドープされた半導体又は酸化物)の臨界温度Tc∞を上昇できるという 考え方に基づいている。「形状共振」状態においては、フェルミ準位は、電子を 超伝導ユニットに閉じ込めることにより人為的に形成された最大電子状態密度に 同調される。 単一の量子井戸における同様の考え方(量子の閉じ込めにより、即ちフェルミ 準位を「形状共振」状態に同調することにより超伝導の臨界温度を上昇する)が ブラット及びトンプソン(J.M.ブラット及びC.J.トンプソンのPhys .Rev.Lett.10.332(1963年);C.J.トンプソン及びJ .M.ブラットのPhys.Lett.5、6(1963年))により提案され ているが、これは、低い次元D≦2における量子の変動が単一量子井戸又は量子 線において超伝導相にストレスを及ぼすために科学団体によって見捨てられ忘れ 去られていた。 本出願人は、「形状共振」状態を単一の超伝導ユニットではなくてユニットの 「超格子」において実現して縮小サイズによる量子化の作用を示すことにより、 臨界温度Tcを上昇し、上記問題を克服できることを示すことに研究を向けた。 本出願人は、族Bi2212(化学式Bi2 Sr2 Ca1-xx Cu28+y の 銅酸化物のプロブスカイト)のセラミック超伝導体を実験照合に使用した。これ らの酸化物において、Cu酸化物の平面は均質でないことが知られており(Y. バー・ヤム氏等編集、ワールド・サイエンティフィック・パブ、シンガポール、 1992年、第65ページのA.ビアンコニ氏等著の「高いTcの超伝導体にお ける格子作用(Lattice Effects in High-Tc Superconductors)」;K.A.ミュ ーラー及びG.べネデック編集、ワールド・サイエンティフィック・パブ、シン ガポール、1992年、第125ページのA.ビアンコニ氏の「カップレート超 伝導体における相分離(Phase Separation in Cuprate Superconductors)」)、特 に、この物質には、Cu原子と頂端酸素との間の距離が異なる値を有するドメイ ンがあることが知られている。本出願人は、120Kより低い温度におけるBi2 Sr2 CaCu28+y の酸化銅の平面は、図1に示すように変調された構造 を有することを立証した。この構造においては、複数のドメインがあり、即ちC uと頂端酸素との結合が短くて(<2.4Å)、方向yに一定周期λp を有する 歪んだCuサイト配座の格子で形成されたバリアと称する巾Wの縞が、Cuと頂 端酸素との結合が長い(>2.5Å)巾Lの縞で分離されたものがある。 縞の巾Lは、長い銅−頂端酸素結合の数と、銅−頂端酸素結合の全数との比を (1988年、ニューヨーク、J.ウイリー・アンド・ソンズ出版、R.プリン ツ及びD.コニングズバーガー編集の「EXAFS、SEXAFS及びXANE SのX線吸収の原理、応用技術(X Ray Absorption Principle,Applications Te chniques of EXAFS,SEXAFS and XANES)」)に説明されたEXAFS方法を使用 して測定することにより得られており、即ちy方向の周期λp は、電子の回折に よって測定され、更に、y方向のフェルミ準位における電子の波ベクトルの成分 (kFy)は、角度分解された光放出(Z.X.シェン著のJ.Phys.Che m.Solid 53、1583(1992年)に基づく)によって測定されて いる。 Tc=84°Kで「フローティングゾーン」方法により成長された単結晶にお いて行われた測定は、変調周期λp =4.7a(但し、a=5.4Åは格子定数 である)、巾L=2.7a、及びフェルミ準位における電子の波ベクトルの成分 (kFy)〜0.38(±0.03)2π/aを生じた。短いCu−頂端酸素結合 をもつCuサイトにより特徴付けられる縞の巾Wは、120Kより低い温度範囲 において2aであることが分かった。バリアの巾W=10.8Åは、超伝導物質 の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度である。 異なるドーピングレベルを有し、異なるY含有量を有する異なる超伝導体にお いて行われた実験は、フェルミ準位を「形状共振状態」に保持することにより超 構造体が変化しそしてLがドーピングと共に変化することを示した。巾Wは、ド ーピングとは独立したものであると仮定した。というのは、これは、1ホール/ 8Cuサイトの臨界ドーピングδc=1/8における格子不安定性に関連してい るからである(W.E.ピケット氏等のPhys.Rev.Lett.62、2 751(1989年))。 それ故、巾Lの縞においてフェルミ準位にある電子は、「形状共振」状態にあ って、サイズWのバリアにより画成されたサイズLの縞に捕らえられ、周期λp の超格子(図2参照)を実現すると共に、フェルミ準位は、波ベクトルkFy〜2 π/Lをもつm=2サブ帯域の底の上に同調される。 「形状共振」状態は、図3を参照してより一般的な方法で定めることができ、 図3において、破線は、二次元の同種導通平面に対する電子状態密度対電子エネ ルギーの曲線を示し、そして実線は、図1及び2に示すヘテロ構造に対して変更 された「状態密度」対「エネルギー」曲線である。それ故、状態密度は、一次元 の縞の超格子に電子を閉じ込めることにより同種物質に比較して変更され、これ は、エネルギーEm(但し、mは共振の数である)に新たな最大値を示し、「形 状共振」状態については、図3のように、超伝導金属のヘテロ構造により発生さ れたサブ帯域Emの底より上の状態密度/エネルギー曲線の最大値の範囲にフェ ルミ準位が同調された量子状態が意図される。 超伝導についての標準的な理論(BCS理論)に従い、無限同種物質における 通常の金属相から超伝導相への遷移に対する臨界温度Tc∞は、 (1)Tc∞ 〜 ωD exp(−1/N0 V) であり、CuO2 超伝導平面に対して、デバイ温度は、約500Kであることが 分かっており、そして積N0 Vは、約0.2であることが分かっており、但し、 N0 は、フェルミ準位における状態密度であり、そしてVは、電子−音子(ホノ ン)結合定数であり、それ故、同種CuO2 平面に対する臨界温度Tc∞は、7 −15Kの範囲内にあると推定されている。 図1に示す異種CuO2 平面であって、フェルミ準位が量子縞の超格子のm= 2サブ帯域の状態密度のm=2最大値に同調される場合には、フェルミエネルギ ーにおける状態密度N0 が高められ、そして臨界温度が高められる。トンプソン 及びブラットの解決策に従い(C.J.トンプソン及びJ.M.ブラットのPh ys.Lett.5、6(1963年))、量子縞の超格子に対する臨界温度は 次のように書き表すことができる。 (2)Tc 〜 ωD exp(−1/N0 V) exp{+k/(N0 V)} 但し、exp{+k/(N0 V)}は、量子の閉じ込めにより決定された「増幅係 数」A=Tc/Tc∞であり、kは、同種物質に対するヘテロ構造における量子 の閉じ込めと、形状共振数mとによってフェルミ準位における状態密度の有効な 増加に関連付けされる。フェルミ準位がm=2サブ帯域の底の上に同調された量 子縞の超格子の場合には、Bi2212に見られるように、約15の増幅係数A が得られている。臨界温度は、超格子において、同種のCuO2 平面の場合に通 常予想される値である7−15Kから60−150Kの高い温度範囲へと高めら れる。 以上の説明から、本出願人は、超伝導体の物理的な構造がBi2212の酸化 銅の平面について確認される特定の状態に従うように構成され、高いTcの新た な超伝導金属物質の構造が、Bi2212に存在すると決定されているこの整然 とした非同種相の状態を再現するとすれば、例えば、ニオブ化合物に主として使 用される通常の超伝導金属において高い臨界温度の超伝導を得ることができると 推論した。 本発明によれば、高い臨界温度の超伝導体は、図2のような構造を示し、即ち 超伝導体1は、少なくとも1つの方向(この場合は方向y)に一定周期λp をも つ実質的に等しい元素の格子を形成する超伝導物質の複数の第1部分3と、これ ら複数の第1部分3と同じではない物質で形成され、これら部分3を分離するよ うに配置された複数の第2部分4とで作られた金属ヘテロ構造により形成された 原子平面のレベルにおいて絵画的に示され、このヘテロ構造において同種相の部 分3を形成する物質の臨界温度特性を増幅するプロセスを作用させるには、上記 のヘテロ構造が、図1の酸化銅平面について述べた量子ユニットの超格子を実現 することが必要である。これは、本発明によれば、y方向に測定してサイズLを もつ部分3を形成し、波長λF でフェルミ準位の電子に対して形状共振の状態を 実現することにより得られ、ここに述べるヘテロ構造におけるこの状態は、サイ ズLが次の簡単な式を満足しなければならないことを意味する。 (3)L 〜 mλF /2 更に、超格子における超伝導状態の理論とBi2212に見られるヘテロ構造 との比較から、本発明を実現化する第2の条件は、部分4が、超伝導量子状態を 安定化するために、部分3を形成する超伝導物質のピパードコヒレンス長さξ0 程度のサイズWを有していなければならないことであると推測される。「程度の サイズ」については、ここ及び以下の説明では、超伝導部分間にジョセフソン結 合を有するために、xを1ないし100の範囲とすれば、Wの値はξ0 /xでな ければならないと言える。Bi2212の場合には、x〜1を有するが、ξ0 の 大きなシステムでは、X>1を使用しそしてWを減少することができる。しかし ながら、いずれの場合にも、Wは、超伝導部分間の単一粒子ホッピングの確率を 減少すると共に、超格子サブ帯域の分散を減少するに充分なほど大きくなければ ならない。 図2に示したヘテロ構造の実現化を詳細に述べると、臨界温度の高い超伝導体 は、複数の平行な原子平面2によって形成され、そして各平面2は、超伝導金属 物質(この定義ではドープされた酸化物又は半導体も含む)により形成された複 数の縞3を含み、これらは、上記式(3)により、縞3におけるフェルミ準位の 電子の波長の半分の整数に等しい巾Lを有する。更に、平面2は、縞3に交互に 設けられた複数の第2の縞4も含み、これらは、第1の縞を形成するものとは異 なる電子構造をもつ物質であって、臨界温度の低い金属又は非金属又は真空(非 金属は有機化合物のような物質も指す)で形成される。縞4は、上記の要件に基 づき、縞3を形成する超伝導物質のピパードコヒレンス長さξ0 の程度の巾Wを 有し、更に、三次元超伝導相を安定化するには、ピパードコヒレンス長さξ0 の 程度の距離hに量子縞の超格子で装飾された隣接する平行な超伝導平面をz方向 に有することも必要である。 図2に示す構造をもつ超伝導体1の場合に、式(2)を適用することができ、 従って、縞3を形成している超伝導物質が分かれば、改善された臨界温度を予想 することができ、換言すれば、所望の程度の形状共振にフェルミ準位を同調する ように、縞3を形成する超伝導物質と図2に示すヘテロ構造を形成する超格子の 成分のサイズとを選択することにより、所望の臨界温度をもつ超伝導体を「演繹 的に」実現することができる。フェルミ準位を低い次数mの形状共振に同調する 超伝導縞の小さなサイズに対し、大きな増幅が得られる。更に、式(2)におけ るヘテロ構造の増幅係数は、式(1)の項exp(−1/N0 V)の作用を抑制 し、これは臨界温度を減少し、それ故、大きなωD をもつ超伝導物質により形成 されたヘテロ構造において増幅係数は更に有効なものとなる。 図4には、臨界温度の高い超伝導体10が示されており、これは、図2に示し たものとは異なる構造を有するが、本発明のパラメータに基づいて構成されたも ので、特に、複数の第1超伝導層11が、これと同じ物質でないものにより形成 された第2の層12と交互に配置されて形成され、層11は選択された厚みLを 有し、そして層12は選択された厚みWを有し、フェルミ準位を超格子の形状共 振状態に同調すると共に、W≦ξ0 としている。 図5には、本発明により実現された高い臨界温度を有する超伝導体20の第3 の例が示されており、この超伝導体20は、超伝導物質で作られた複数の線21 により形成され、これらは、互いに平行であって、三次元格子を形成し、線21 と同じ物質でないもので形成されたマトリクス22に埋設される。方形又は円で ある線の断面は、選択された形状共振状態を満足するために選択されたサイズL を有し、そしてマトリクス22において間隔Wだけ分離される。 一般に、超格子において「形状共振状態」を満足しなければならないサイズL を決定するために、縞、層又は線間の無視できる単一粒子ホッピングの限界内で 次の式を使用することができる。 (4)kF 〜 (2π/L)(m/2) 但し、kF は、超伝導物質のフェルミ準位にある電子の波ベクトルである。更に 一般的に、図3に示した「形状共振」の状態は、次のように書き表すことができ る。 (5)EF 〜 Em これは、フェルミエネルギーが電子状態密度の人為的な最大値に同調されること を意味し、超伝導ユニット間の無視でないホッピングに対し超格子サブ帯域の分 散により状態(4)の考えられるシフトを考慮している。 更に、式(4)を用いることにより得たLの値が小さくて超伝導部分を実現す ることが困難である場合には、「形状共振」状態に対して次の式を使用すること ができる。 (6)|kF −G| 〜 (2π/L)(m/2) 但し、Gは、超伝導物質の逆格子のベクトルであり、kF は、フェルミ準位にあ る電子の波ベクトルであり、そしてmは整数である。 図6は、本発明により実現化された高い臨界温度をもつ超伝導体30の別の例 であり、超伝導体30は、三次元格子32を形成する超伝導物質で作られた複数 の球状核31によって形成され、これらは、超伝導核31と同じ物質ではないも ので形成されたマトリクス33に埋設される。核のサイズはLであり、Wで分離 される。 更に、図7は、超伝導体30と同様に本発明により実現化された高い臨界温度 をもつ超伝導体40を示すが、超伝導物質は、三次元格子を形成するサイズLの 複数の空の球41で形成され、これらは、超伝導球41と同じ物質ではないもの で形成されたマトリクス42に埋設され、球と球との間に分離Wを与える。 本発明により高い臨界温度をもつ超伝導ヘテロ構造を実現化する別の選択は、 Bi2212の超伝導平面の構造(図1)を複写し、第2部分4を形成する物質 が、結晶格子のレベルにおいてのみ、第1部分を形成する物質と異なる図2のよ うな超格子を形成することである。 最後に、本発明による高い臨界温度をもつ超伝導体は、Lが所与の式(4)、 (5)及び(6)の1つに基づき「形状共振」状態を満足しなければならず且つ Wが超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度であるか又はそれより小さいとい う上記構造の1つを有していなければならない。 図2、4、5、6及び7について述べた超伝導物質は、カップレートの場合の ように錯体物質の化学的反応及び/又はドーピングによって実現することもでき るし、又は量子線の超格子(図8)について以下に述べるように本発明によるヘ テロ構造を作ることによって実現することもできる。即ち、金属又は非金属で作 られた基板50の原子レベルにおいて平らな面を先ず形成し、それに続く段階に おいて、基板とは異なる超伝導物質で複数の超伝導ユニット51が作られ、これ らユニット51は、分子ビームエピタキシー又は他の同等の技術(例えば、スパ ッタリング、リソグラフィー、化学合成、電気化学付着)により得られる。ユニ ット51は、選択された間隔Wだけ分離されて、少なくとも1つの方向yに超格 子を形成するサイズLの同じユニットの格子を実現するよう配置され、超格子に おける「形状共振」の上記条件を満足し、界面のストレスを減少するためには異 なる成分の結晶面の良好な格子一致が要求され、次の段階において、基板50及 び超伝導ユニット51をカバーするように物質52が配置され、最後の2つの段 階が固定の回数だけ繰り返されて、三次元の金属ヘテロ構造60が作られる。図 4の超伝導体10の場合には、「形状共振」状態(量子井戸)を満足する厚みを 有する超伝導層の人為的な超格子を形成する方法は、主として、分子ビームエピ タキシー又は他の同等の技術(例えば、スパッタリング、リソグラフィー、化学 合成、電気化学的付着)を一定の回数行うことにより層11及び12を交互に付 着し、三次元の金属ヘテロ構造10を実現することより成り、この場合は、界面 に良好な結晶格子の一致をもつ物質11及び12を見出しそして原子レベルで平 らな面を成長するように注意しなければならない。産業上の利用性 臨界温度の高い金属ヘテロ構造は、超伝導物質を用いる電子装置の製造に適用 することができ、ここでは、幾つかの例しか示さないが、その用途は広く、送電 系統や磁気システムにおいて、SQUID、ジョセフソン接合、赤外線検出器、 粒子検出器、高周波フィルタ等が挙げられる。 請求の範囲 1.第1の超伝導物質で作られた複数の第1部分(3、11、21、31、41 )と、これら第1部分間に分離を実現するようにこれら第1部分に挿入された異 なる電子構造をもつ第2物質で作られた複数の第2部分(4、12、22、32 、42)とで作られた人為的なヘテロ構造により形成され、第2部分と組み合わ された第1部分の人為的ユニットは、少なくとも第1方向(y)に周期λp をも つ超格子を実現するまで選択された回数だけ繰り返され、上記複数の第2部分( 4、12、22、32、42)は、上記方向(y)に測定したサイズWであって 、上記第1部分を形成する超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程 度又はそれより小さいサイズWを有するような臨界温度の高い超伝導体において 、上記方向(y)に測定したサイズL及び/又は上記複数の第1部分(3、11 、21、31、41)の電荷密度は、フェルミ準位の電子に対し「形状共振」条 件を満足し、フェルミエネルギーは、超格子サブ帯域の底部又は頂部のエネルギ ー付近に同調されることを特徴とする臨界温度の高い超伝導体。 2.第1の超伝導物質で作られた第1層(11)で形成された複数の第1部分が 、異なる電子構造をもつ第2物質で作られた第2層(12)で形成された第2部 分と交互になったもので形成され、上記第1部分は、厚みLの第1層(11)で 形成され、そして上記第2部分は、厚みWの第2層(12)で形成され、フェル ミ準位を超格子の「形状共振」に同調する請求項1に記載の臨界温度の高い超伝 導体。 3.方向(z)に距離(h)だけ分離された複数の平行な原子平面(2)によっ て形成され、各平面は、方向(y)に測定して巾(L)を有する方向(x)に延 びる第1の超伝導物質で作られた第1の縞(3)により形成された複数の第1部 分と、この第1の縞(3)と交互にされて、異なる電子構造をもつ第2物質で作 られた第2の縞(4)により形成された複数の第2部分とによって形成され、第 2の縞と組み合わされた第1の縞の人為的ユニットは、上記方向(y)に周期λp を有し、上記複数の第1の縞(3)は、フェルミ準位の電子に対し「形状共振 」条件を満足する巾Lを有し、上記複数の第2の縞(4)は、第1 部分を形成する超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度又はそれ より小さい巾Wを有し、そして上記複数の平面は、上記超伝導の縞(3)を形成 する超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度の距離hだけ分離さ れる請求項1に記載の臨界温度の高い超伝導体。 4.三次元格子を形成する複数の平行な超伝導線(21)であって、異なる電子 構造をもつ第2の物質で作られたマトリクス(22)に埋設される超伝導線によ って形成され、これら複数の線(21)は、フェルミ準位の電子に対して「形状 共振」条件を満足するようにサイズ(L)の断面を有し、そして上記超伝導線( 21)を形成する超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度又はそ れより小さい距離(W)だけ分離される請求項1に記載の臨界温度の高い超伝導 体。 5.マトリクス(32)に埋設された三次元格子を形成するように互いに距離( W)だけ分離された超伝導物質で形成された実質的に球状の複数の核(31)に より形成され、これら複数の核(31)は、フェルミ準位の電子に対して「形状 共振」条件を満足するようにサイズ(L)の断面を有し、そして上記超伝導核( 31)を形成する超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度又はそ れより小さい距離(W)だけ分離される請求項1に記載の臨界温度の高い超伝導 体。 6.超伝導物質により形成された複数の空の球(41)により形成され、例えば 、互いに距離(W)だけ分離されたフラレン(fullerenes)が、マトリクス(4 2)に埋設された三次元格子を形成し、上記複数の空の球(41)は、フェルミ 準位の電子に対して「形状共振」条件を満足するようにサイズ(L)の断面を有 し、そして超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度又はそれより 小さい距離(W)だけ分離される請求項1に記載の臨界温度の高い超伝導体。 7.上記請求項のいずれかに記載の超伝導第1部分の超格子と、第2部分とで実 現され、第1及び第2部分は、それらの結晶格子、原子の置換又は化学的ドーパ ントの濃度についてのみ異なる請求項1に記載の臨界温度の高い超伝導体。 8.請求項1に記載の臨界温度の高い超伝導ヘテロ構造を実現する方法において 、金属又は非金属の物質で作られた基板の表面を調整し、そして格子整合及び /又は表面の平滑化に必要であれば、緩衝剤を付着し、 原子レベルで制御してサイズLの第1超伝導部分を形成し、 間隔Wだけ第1部分を分離するためのスペーサの役割を果たす第2部分を形 成し、これは、第1部分と第2部分との間に原子レベルで良好に定められたドメ イン壁を形成することにより行い、 上記段階を確立された回数だけ繰り返して、三次元超格子を実現し、第1部 分のサイズL及び分離Wは、フェルミ準位が超伝導部分の超格子の「形状共振」 状態に同調され、そして上記間隔Wは、超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス 長さξ0 の程度又はそれより小さいるものであることを特徴とする方法。 9.分子ビームエピタキシー方法を使用して上記ヘテロ構造を得る請求項8に記 載の臨界温度の高い超伝導ヘテロ構造を実現する方法。 10.請求項1に記載の超伝導層(第1部分)及び非超伝導層(第2部分)の交互 の平行な層により形成された三次元ヘテロ構造を、分子ビームエピタキシー又は 他の同等の技術、例えば、スパッタリング、リソグラフィー、化学的合成、電気 化学的付着により、界面に良好な結晶格子一致をもつ2つの物質を使用し、そし て選択された厚みの層の原子レベルで平らな界面の成長を制御して、超伝導ユニ ットの超格子に「形状共振」状態を得ることにより形成する請求項8に記載の臨 界温度の高い超伝導体を実現する方法。[Procedure Amendment] Patent Law Article 184-8 [Date of submission] February 12, 1996 [Amendment] Description The field of invention of superconductors with a high Tc formed by a metal heterostructure at the atomic limit. , A high-critical-temperature superconductor according to the first part of the claim, which consists of an artificial heterostructure made of a first part of a superconducting material of size L pressed towards the atomic limit. Furthermore, the invention relates to a method for realizing these superconductors. DESCRIPTION OF THE PRIOR ART As is well known, commercially available superconducting metals exhibit only a very low critical temperature, which limits the industrial application of superconductivity. The onset temperature of zero, that is, the zero resistivity and the onset temperature of diamagnetism). These very low temperatures, on the order of a few degrees Kelvin, are unattainable without the use of cryogenic techniques, which means they are costly and difficult to operate. Therefore, research in this field is directed towards the realization of new superconducting materials with high critical temperatures. A recent innovation in this field is the discovery of superconductivity in cuprate perovskite, which exhibits a critical temperature on the order of 100 degrees Kelvin. However, ceramic superconductors of this type are fragile, difficult to shape, and difficult to keep oxygen content under control, which limits their industrial application. These challenges limit the industrial application of superconducting electronic devices using these ceramic materials. Another challenge to advances in this field is the lack of theory to explain superconductivity at high temperatures in these materials, and thus the inability to drive advances in these materials by experimental techniques. The superconducting cuprate perovskite has a c-axis direction in which a first superconducting CuO 2 layer having a two-dimensional electronic structure is sandwiched by a second blocking layer made of a low Tc metal or an insulating material. Described as a natural superlattice, and a similar artificial superlattice has been synthesized (Physical Review Letters, Vol. 63, No. 9, August 1989, 1016-1019). Page, JM Toscon, MG Kirkut, L. Antognazza, O. Brunner, O. Fischer's "Y-Ba-Cu-O / Dy-Ba-Cu-O superlattice; "The first step towards the artificial construction of conductors"), as well as a recent patent application (Tray Industries European patent application EPA0502204A1, international application number PCT / IP91 /). 1255, International Publication No. WO 92/0514 (02.04.92 92/08); and some references (Physica C, Volume 190, ISSN 0921-4534, No. 1/2, December 1991, No. 22- . 2 page 6; Qi.Li.T Benkatesan and X.X.Xi: "YBa 2 Cu 3 O 7 type superlattice growth and superconducting properties of"); (Physica C, the 185-1 Vol. 89, ISSN0921 -4534, 1, December 1991, pp. 1747-1748; M. Horcon, JP Koran, and WA Little: "A new in the close tunneling effect of high T c superconducting cuprates. have also been described phenomenon "). Moreover, the superconducting films of doped fullerene, such as K 3 C 60 (fullerene), the production of microelectronic devices that are complex laminated (Scientific Fook American (Internal Editing), October 1991, Volume 265, Issue 4, ISSN 0036-8733, pages 32-41, R. F. Curl and R. E. Smalley. the "fullerene (fullerenes)"). SUMMARY the present invention disclosed herein of the invention, physical for designing novel superconducting heterostructure several times than superconductors bulk metal having a large critical temperature The above problems are overcome by defining parameters According to the present invention, a plurality of superconducting materials forming a lattice of substantially equal elements having a constant period λ p in at least a first direction y. Superconducting piper of superconducting material forming a plurality of first portions, the plurality of second portions being formed of a first portion separated by a second material having a different electronic structure. In a superconductor having a high critical temperature having a size W of the order of Pippard coherence length ξ 0 (W ≦ ξ 0 ), the plurality of first portions are measured in the first direction y. A supercritical superconductor having a size L and a period λ p and having a charge density satisfying an electron “shape resonance” condition at a Fermi level is provided. The present invention is based on the discovery that high critical temperature superconductivity is associated with a particular heterostructure of a superconducting material, which heterostructure can be found in a cuprate perovskite. This dissimilar structure determines the "amplification degree" at the critical temperature compared to the same kind of superconducting material. Therefore, by forming an artificial dissimilar structure containing a superconducting metal with a low critical temperature, it is multiplied by the "amplification factor" associated with the selected heterostructure, and more so than with homogeneous materials. A superconductor having an artificially arranged dissimilar structure having a critical temperature several times higher or even 100 times higher is formed. The invention also relates to a method for realizing a superconducting heterostructure with a high critical temperature, based on the main claims characterized by: -Providing a substrate made of a metallic or non-metallic substance. Forming a plurality of first portions of superconducting material on the substrate, the first portions having a selected dimension L and a selected spacing W in at least the direction y; Forming on said first part a second part of a material having a different electronic structure which acts as a spacer. The spacing W must be of the order of the superconducting Pippard coherence length ξ 0 of the superconducting material forming the plurality of first portions (W ≦ ξ 0 ). Repeating the above forming steps a selected number of times until a three-dimensional heterostructure is realized. The dimension L and the spacing W are selected to achieve a "shape resonance" state for electrons in the Fermi level of superconducting metals. In particular, the heterostructure can be realized by molecular beam epitaxy. A second method, which is simpler to achieve a higher critical temperature superconductor according to the main claim, is that a plurality of films of superconducting material, i.e. the first part, are provided with a plurality of non-superconducting films (or critical films). A superconductor having a low temperature), that is, a three-dimensional heterostructure made of those separated by a second portion, wherein the thickness L of the superconducting film and the thickness W of the non-superconducting film are It relates to the formation of a three-dimensional heterostructure that realizes a "shape resonance" state for electrons at the Fermi level in the lattice. In order to realize the "shape resonance" state, the thickness of the superconducting metal film is about the thickness of a few atomic layers, and therefore the film thickness must be controlled to be uniform at the atomic limit. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows the structure of a CuO 2 plane in Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O ~8 decorated by stripes of different Cu site conformations is a square pyramid distorted defined by the applicant It is a figure. FIG. 2 is a superconducting heterostructure at the atomic limit formed by a quantum fringe superlattice realized in Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O .about.8 , which has a critical superconducting temperature of about 10 according to the present invention. It is a figure which shows the structure which gives the amplification of 1st Embodiment of this invention. FIG. 3 is a diagram showing the low-quality behavior of the quantum fringe superlattice in the CuO 2 plane, in which the Fermi energy is tuned to the maximum value of the state density in order to raise the critical temperature. Is. 4 to 7 are diagrams showing some types of superconducting heterostructures at the atomic limit formed by superlattices of quantum wells, quantum wires, quantum dots, and quantum spheres, respectively, as other embodiments of the present invention. . FIG. 8 is a diagram showing, as an example, a method of forming a superlattice of quantum wires. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention shapes a superconducting material into a plurality of units forming a superlattice, the size L of each unit being a function of the quantization of an electron wave vector in at least one dimension. , Ie, small, to indicate a quantum well, quantum wire or quantum dot superlattice, the Fermi level of the superconducting superlattice is tuned closer to the bottom of the subband of the superlattice, ie the Fermi The criticality of massive homogeneous superconductors (metal elements, alloys, metal compounds, doped semiconductors or oxides) by being tuned to what is called a "shape resonance" state for the electrons in the levels. It is based on the idea that the temperature Tc∞ can be increased. In the "shape resonance" state, the Fermi level is tuned to the maximum electronic density of states artificially created by confining electrons in the superconducting unit. A similar idea in a single quantum well (raising the critical temperature of superconductivity by confining the quantum, ie by tuning the Fermi level to a "shape resonance" state) has been reported by Brat and Thompson (JM Brat and CJ Thompson's Phys. Rev. Lett. 10.332 (1963); CJ Thompson and JM Brat's Phys. Lett. 5, 6 (1963)). , Which has been abandoned and forgotten by the scientific community because quantum fluctuations in the low dimension D ≦ 2 stress the superconducting phase in single quantum wells or quantum wires. The Applicant has increased the critical temperature Tc by realizing the "shape resonance" state in a "superlattice" of units rather than in a single superconducting unit and showing the effect of quantization by reduced size, He turned his research to showing that he could overcome problems. The applicant has used the ceramic superconductors of the family Bi2212 (perovskite of the formula Bi 2 Sr 2 Ca 1-x Y x Cu 2 O 8 + copper oxide y) to the experimental verification. In these oxides, it is known that the plane of Cu oxide is not homogeneous (edited by Y. Bur Yam et al., World Scientific Pub, Singapore, 1992, p. 65, A. Bianconi). "Lattice Effects in High-Tc Superconductors" by K. Mueller and G. Benedeck, World Scientific Pub, Singapore, 1992. A. Bianconi, page 125, "Phase Separation in Cuprate Superconductors," in particular, this material has different values for the distance between the Cu atom and the apical oxygen. It is known that there is a domain. Applicants have demonstrated that the Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + y copper oxide planes at temperatures below 120 K have a modulated structure as shown in FIG. In this structure, there are multiple domains, that is, the bond between Cu and the apical oxygen is short (<2.4Å) and is formed by a lattice of distorted Cu site conformations with a constant period λ p in the direction y. Also, there are stripes with a width W, which are called barriers, separated by stripes with a width L in which the bond between Cu and apical oxygen is long (> 2.5Å). The width L of the stripes is the ratio of the number of long copper-apex oxygen bonds to the total number of copper-apex oxygen bonds (1988, J. Willie and Sons Publishing, New York, R. Prinz and D. Conning). Measurement is performed using the EXAFS method described in “X Ray Absorption Principle, Applications Techniques of EXAFS, SEXAFS and XANES” ”edited by Sberger. That is, the period λ p in the y direction is measured by electron diffraction, and the component of the wave vector (k Fy ) of the electron at the Fermi level in the y direction is the angle-resolved light emission. (Based on J. Phys. Chem. Solid 53, 1583 (1992) by Z. X. Shen). Measurements carried out on single crystals grown by the "floating zone" method at Tc = 84 ° K show that the modulation period λ p = 4.7a, where a = 5.4Å is the lattice constant, width L = 2.7a, and an electron wave vector component (k Fy ) to 0.38 (± 0.03) 2π / a at the Fermi level was generated. The fringe width W, characterized by Cu sites with short Cu-apex oxygen bonds, was found to be 2a in the temperature range below 120K. The barrier width W = 10.8Å is about the superconducting Pippard coherence length ξ 0 of the superconducting material. Experiments carried out in different superconductors with different doping levels and with different Y contents showed that the superstructure was changed by holding the Fermi level in a "shape resonance state" and L changed with doping. It was shown to do. The width W was assumed to be independent of doping. This is because it is related to the lattice instability at the critical doping δc = 1/8 of 1 hole / 8 Cu site (WE Pickett et al., Phys. Rev. Lett. 62, 2). 751 (1989)). Therefore, the electrons at the Fermi level in the stripe of width L are in the "shape resonance" state and are caught in the stripe of size L defined by the barrier of size W, and the superlattice of period λ p (Fig. 2)) and the Fermi level is tuned above the bottom of the m = 2 subband with wave vector k Fy ˜2π / L. The “shape resonance” state can be defined in a more general way with reference to FIG. 3, in which the dashed line shows the curve of electronic density of states versus electron energy for a two-dimensional homogeneous conducting plane, and The solid line is the modified "density of states" vs. "energy" curve for the heterostructure shown in FIGS. Therefore, the density of states is modified by confining the electrons in a one-dimensional fringe superlattice compared to homogeneous materials, which gives a new maximum for the energy Em, where m is the number of resonances. For the “shape resonance” state, as shown in FIG. 3, the Fermi level is in the range of the maximum value of the density of states / energy curve above the bottom of the sub-band Em generated by the heterostructure of the superconducting metal. A tuned quantum state is intended. According to the standard theory of superconductivity (BCS theory), the critical temperature Tc∞ for the transition from the ordinary metallic phase to the superconducting phase in an infinite homogeneous material is (1) Tc∞ ∼ ω D exp (-1 / N 0 V), and for a CuO 2 superconducting plane, the Debye temperature has been found to be about 500 K, and the product N 0 V has been found to be about 0.2, where N 0 is the density of states at the Fermi level, and V is the electron-phonon coupling constant, so the critical temperature Tc∞ for the homogeneous CuO 2 plane is in the range 7-15K. It is estimated that there is. In the heterogeneous CuO 2 plane shown in FIG. 1, when the Fermi level is tuned to the m = 2 maximum of the density of states of the m = 2 subband of the quantum fringe superlattice, the density of states N at the Fermi energy is 0 is increased and the critical temperature is increased. According to the solution of Thompson and Brat (CJ Thompson and JM Brat Phys. Lett. 5, 6 (1963)), the critical temperature for the quantum fringe superlattice can be written as it can. (2) Tc to ω D exp (−1 / N 0 V) exp {+ k / (N 0 V)} where exp {+ k / (N 0 V)} is an “amplification coefficient” determined by quantum confinement. A = Tc / Tc ∞ and k is related to the quantum confinement in the heterostructure for homogeneous materials and the effective increase in the density of states at the Fermi level by the shape resonance number m. In the case of a quantum fringe superlattice with the Fermi level tuned above the bottom of the m = 2 subband, an amplification factor A 2 of about 15 is obtained, as seen in Bi2212. Critical temperature, in the superlattice is increased from a value that is normally expected in the case of CuO 2 plane of the same type 7-15K to a high temperature range of 60-150K. From the above description, the Applicant has determined that the physical structure of the superconductor is arranged to follow the specific conditions identified for the Bi2212 copper oxide plane, and the structure of the new superconducting metallic material of high Tc is , Bi2212, which is determined to exist in this orderly non-homogeneous phase state, for example, it is possible to obtain superconductivity at a high critical temperature in an ordinary superconducting metal mainly used for niobium compounds. Reasoned. According to the present invention, a high critical temperature superconductor has a structure as shown in FIG. 2, that is to say that the superconductor 1 has a constant period λ p in at least one direction (direction y in this case). A plurality of first portions 3 of superconducting material that form a lattice of substantially equal elements, and a plurality of first portions 3 that are not the same as the plurality of first portions 3 and that are arranged to separate the portions 3. Acting on the process of amplifying the critical temperature characteristic of the material shown pictorially at the level of the atomic plane formed by the metallic heterostructure made with the second part 4 and forming the homogenous part 3 in this heterostructure In order to do so, it is necessary that the above heterostructure realizes the quantum unit superlattice described for the copper oxide plane of FIG. This is obtained according to the invention by forming a part 3 having a size L as measured in the y direction and realizing a state of shape resonance for electrons of the Fermi level at wavelength λ F , where This situation in the heterostructure described in Section 1 means that the size L must satisfy the following simple equation: (3) L ~ mλ F / 2 Further, from the comparison between the theory of superconducting state in the superlattice and the heterostructure found in Bi2212, the second condition for realizing the present invention is that the part 4 is a superconducting quantum. It is presumed that, in order to stabilize the state, the superconducting material forming the portion 3 must have a size W of about the piper coherence length ξ 0 . With respect to "moderate size", here and in the following description, since x has a range of 1 to 100, the value of W must be ξ 0 / x because of the Josephson coupling between the superconducting portions. It can not be said that. In the case of Bi2212, we have x˜1, but for large systems with ξ 0 we can use X> 1 and reduce W. However, in any case, W must be large enough to reduce the probability of single particle hopping between superconducting portions and reduce the dispersion of the superlattice subbands. To elaborate on the realization of the heterostructure shown in FIG. 2, a superconductor with a high critical temperature is formed by a plurality of parallel atomic planes 2 and each plane 2 is a superconducting metallic material (in this definition A plurality of stripes 3 formed by a doped oxide or a semiconductor), which have a width L equal to an integer half the wavelength of the electrons of the Fermi level in the stripes 3 according to the above equation (3). Have. Furthermore, the plane 2 also comprises a plurality of second stripes 4 alternating with the stripes 3, which are substances with an electronic structure different from those forming the first stripes, It is formed of a low metal or non-metal or vacuum (non-metal also refers to materials such as organic compounds). Based on the above requirements, the stripes 4 have a width W of the order of the piped coherence length ξ 0 of the superconducting material forming the stripes 3. Furthermore, in order to stabilize the three-dimensional superconducting phase, It is also necessary to have adjacent parallel superconducting planes decorated with quantum fringe superlattices in the z-direction at a distance h of the order of the Padcoherence length ξ 0 . In the case of the superconductor 1 having the structure shown in FIG. 2, the formula (2) can be applied. Therefore, if the superconducting material forming the stripes 3 is known, an improved critical temperature is expected. In other words, in order to tune the Fermi level to a desired degree of shape resonance, the superconducting material forming the fringes 3 and the size of the superlattice component forming the heterostructure shown in FIG. By choice, a superconductor with the desired critical temperature can be realized "a priori". Large amplifications are obtained for small sizes of superconducting fringes that tune the Fermi level to shape resonances of low order m. Furthermore, the amplification factor of the heterostructure in equation (2) suppresses the action of the term exp (-1 / N 0 V) in equation (1), which reduces the critical temperature and therefore a large ω D. The amplification factor becomes more effective in the heterostructure formed by the superconducting material. FIG. 4 shows a superconductor 10 having a high critical temperature, which has a different structure than that shown in FIG. 2 but is constructed according to the parameters of the invention, and in particular , A plurality of first superconducting layers 11 are formed alternating with second layers 12 formed of a material that is not the same, the layers 11 having a selected thickness L, and the layers 12 Has a selected thickness W, tunes the Fermi level to the shape resonance state of the superlattice, and sets W ≦ ξ 0 . FIG. 5 shows a third example of a superconductor 20 having a high critical temperature realized according to the present invention, which superconductor 20 comprises a plurality of wires 21 2 made of a superconducting material. Formed, they are parallel to one another and form a three-dimensional lattice, which is embedded in a matrix 22 formed of a material which is not the same as the line 21. The cross-sections of the lines, which are squares or circles, have a size L 1 selected to satisfy the selected shape resonance condition and are separated in the matrix 22 by a distance W 2. In general, the following equation can be used within the limits of negligible single particle hopping between fringes, layers or lines to determine the size L 1 that must satisfy the “shape resonance state” in the superlattice: . (4) k F to (2π / L) (m / 2) where k F is the wave vector of the electron at the Fermi level of the superconducting substance. More generally, the “shape resonance” state shown in FIG. 3 can be written as follows. (5) E F ~ Em This means that the Fermi energy is tuned to artificial maximum of the electronic density of states, the state by the dispersion of the superlattice subband to non negligible hopping between the superconducting units ( Considering possible shifts in 4). Further, when the value of L obtained by using the equation (4) is small and it is difficult to realize the superconducting portion, the following equation can be used for the “shape resonance” state. . (6) | k F −G | ~ (2π / L) (m / 2) where G is the reciprocal lattice vector of the superconducting material, and k F is the wave vector of the electron in the Fermi level. Yes, and m is an integer. FIG. 6 is another example of a superconductor 30 having a high critical temperature realized by the present invention, in which the superconductor 30 is composed of a plurality of spherical particles made of a superconducting material forming a three-dimensional lattice 32. It is formed by the nuclei 31, which are embedded in a matrix 33 formed of a material that is not the same as the superconducting nuclei 31. The size of the nucleus is L, separated by W. Furthermore, FIG. 7 shows a superconductor 40 having a high critical temperature realized by the present invention as well as the superconductor 30, but the superconducting material is composed of a plurality of voids of size L forming a three-dimensional lattice. Spheres 41, which are embedded in a matrix 42 formed of a material that is not the same as the superconducting spheres 41, to provide a separation W between the spheres. Another option to realize a superconducting heterostructure with a high critical temperature according to the invention is to duplicate the structure of the superconducting plane of Bi2212 (FIG. 1), the material forming the second part 4 being at the level of the crystal lattice. Only in order to form a superlattice as shown in FIG. 2 which is different from the material forming the first part. Finally, a superconductor with a high critical temperature according to the present invention must satisfy the "shape resonance" condition where L is based on one of the given equations (4), (5) and (6). And must have one of the above structures where W is on the order of or less than the superconducting Pippard coherence length ξ 0 . The superconducting materials described with respect to FIGS. 2, 4, 5, 6 and 7 can be realized by chemical reaction and / or doping of complex materials, as in the case of couplings, or superlattices of quantum wires ( It can also be realized by making a heterostructure according to the invention as described below with respect to FIG. 8). That is, first, an atomically flat surface of a substrate 50 made of metal or non-metal is formed, and in a subsequent step, a plurality of superconducting units 51 are made of a superconducting material different from that of the substrate. Are obtained by molecular beam epitaxy or other equivalent techniques (eg sputtering, lithography, chemical synthesis, electrochemical deposition). The units 51 are arranged to realize a lattice of the same unit of size L forming a superlattice in at least one direction y, separated by a selected spacing W, to meet the above condition of "shape resonance" in the superlattice. Satisfactory, good lattice matching of the crystal planes of the different components is required to reduce the stress at the interface, and in the next step the material 52 is arranged to cover the substrate 50 and the superconducting unit 51, and finally The above two steps are repeated a fixed number of times to form the three-dimensional metal heterostructure 60. In the case of the superconductor 10 of FIG. 4, the method of forming an artificial superlattice of a superconducting layer having a thickness satisfying the “shape resonance” state (quantum well) is mainly based on molecular beam epitaxy or other methods. Comprising depositing layers 11 and 12 in an alternating manner by performing a certain number of equivalent techniques (eg sputtering, lithography, chemical synthesis, electrochemical deposition) to achieve a three-dimensional metal heterostructure 10. If this is the case, care must be taken to find substances 11 and 12 with a good crystal lattice match at the interface and to grow atomically flat surfaces. Industrial Applicability Metal heterostructures with high critical temperature can be applied to the manufacture of electronic devices using superconducting materials, and only a few examples are shown here, but their applications are wide and they are widely used. Examples of magnetic systems include SQUIDs, Josephson junctions, infrared detectors, particle detectors, and high frequency filters. Claims 1. A plurality of first parts (3, 11, 21, 31, 41) made of a first superconducting material and different electrons inserted in these first parts so as to realize a separation between the first parts. A first part formed by an artificial heterostructure made of a plurality of second parts (4, 12, 22, 32, 42) made of a structured second material and combined with the second part The artificial unit of is repeated at least a selected number of times until a superlattice having a period λ p in at least a first direction (y) is realized, and the plurality of second portions (4, 12, 22, 32, 42) Is a critical temperature at which the size W measured in the direction (y) has a size W that is about the superconducting piped coherence length ξ 0 of the superconducting material forming the first portion or less. Measurement in the above direction (y) for high-conductivity superconductors The size L and / or the charge density of the plurality of first portions (3, 11, 21, 31, 41) satisfy the “shape resonance” condition for electrons of the Fermi level, and the Fermi energy is the superlattice. A high critical temperature superconductor characterized in that it is tuned near the energy at the bottom or top of the sub-band. 2. A plurality of first portions formed of a first layer (11) made of a first superconducting material, a plurality of first portions made of a second layer (12) made of a second material having different electronic structures. Formed by alternating two parts, the first part being formed by a first layer (11) having a thickness L and the second part being formed by a second layer (12) having a thickness W. The superconductor having a high critical temperature according to claim 1, wherein the Fermi level is tuned to the "shape resonance" of the superlattice. 3. Formed by a plurality of parallel atomic planes (2) separated by a distance (h) in a direction (z), each plane extending in a direction (x) having a width (L) measured in the direction (y). A plurality of first portions formed by first stripes (3) made of a first superconducting material and a second material alternating with the first stripes (3) and having a different electronic structure. An artificial unit of first stripes formed by a plurality of second parts formed by the second stripes (4) made of and combined with the second stripes is periodic in the direction (y). λ p , the plurality of first fringes (3) have a width L satisfying a “shape resonance” condition for Fermi level electrons, and the plurality of second fringes (4) are has a superconducting pin par de coherence length xi] 0 degree or smaller width W of the superconducting material forming the first portion, and the plurality Plane, superconducting Pi par de coherence length ξ distance h of the order of 0 high critical temperature according to claim 1, which is separated superconductor of the superconducting material forming the stripes (3) of the superconducting. 4. A plurality of parallel superconducting wires (21) forming a three-dimensional lattice, the superconducting wires being embedded in a matrix (22) made of a second material having a different electronic structure, Line (21) has a cross section of size (L) so as to satisfy the “shape resonance” condition for electrons of the Fermi level, and the superconducting material forming the superconducting wire (21) is The superconductor having a high critical temperature according to claim 1, wherein the superconductors are separated by a distance (W) of the order of the superconducting piped coherence length ξ 0 or less. 5. Formed by a plurality of substantially spherical nuclei (31) formed of superconducting material separated by a distance (W) from each other to form a three-dimensional lattice embedded in a matrix (32), The nucleus (31) has a cross section of size (L) so as to satisfy the “shape resonance” condition for electrons of the Fermi level, and the superconducting substance of the superconducting material forming the superconducting nucleus (31) is superposed. The superconductor having a high critical temperature according to claim 1, wherein the superconductors have a high critical temperature and are separated by a distance (W) that is equal to or smaller than the conduction piped coherence length ξ 0 . 6. Fullerenes formed by a plurality of empty spheres (41) formed of a superconducting material and separated from each other by a distance (W) form a three-dimensional lattice embedded in a matrix (42). The plurality of empty spheres (41) have a cross section of size (L) so as to satisfy the “shape resonance” condition with respect to electrons of the Fermi level, and the superconducting piped of a superconducting material. The superconductor having a high critical temperature according to claim 1, wherein the superconductors are separated by a distance (W) that is equal to or smaller than the coherence length ξ 0 . 7. A superconducting first part superlattice according to any of the above claims and a second part, wherein the first and second parts are in terms of their crystal lattice, the substitution of atoms or the concentration of chemical dopants. The superconductor having a high critical temperature according to claim 1, which is different only. 8. The method for realizing a superconducting heterostructure having a high critical temperature according to claim 1, wherein the surface of a substrate made of a metallic or non-metallic material is adjusted and required for lattice matching and / or surface smoothing. If so, attach a buffering agent to form a first superconducting portion of size L controlled at the atomic level, to form a second portion that acts as a spacer for separating the first portion by a distance W, This is done by forming a well defined domain wall at the atomic level between the first and second parts and repeating the above steps a number of times established to achieve a three dimensional superlattice, The size L and the separation W of the first part are such that the Fermi level is tuned to the "shape resonance" state of the superlattice of the superconducting part, and the spacing W is the superconducting piped coherence length ξ 0 of the superconducting material. Degree or less Method characterized in that there. 9. The method for realizing a superconducting heterostructure having a high critical temperature according to claim 8, wherein the heterostructure is obtained by using a molecular beam epitaxy method. Ten. A three-dimensional heterostructure formed by alternating parallel layers of a superconducting layer (first portion) and a non-superconducting layer (second portion) according to claim 1, a molecular beam epitaxy or other equivalent technique, Use two materials with good crystal lattice matching at the interface, for example by sputtering, lithography, chemical synthesis, electrochemical deposition, and control the growth of atomically flat interfaces in layers of selected thickness 9. The method for realizing a superconductor having a high critical temperature according to claim 8, wherein the superconductor of the superconducting unit is formed by obtaining a "shape resonance" state.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI C30B 29/22 501 7202−4G C30B 29/22 501Z H01L 39/02 8832−4M H01L 39/02 D (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AP(KE,MW,SD,SZ),AM, AT,AU,BB,BG,BR,BY,CA,CH,C N,CZ,DE,DK,ES,FI,GB,GE,HU ,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LT, LU,LV,MD,MG,MN,MW,NL,NO,N Z,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SI,SK ,TJ,TT,UA,US,UZ,VN─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI C30B 29/22 501 7202-4G C30B 29/22 501Z H01L 39/02 8832-4M H01L 39/02 D (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (KE, MW, SD, SZ), AM, AT, AU, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN , CZ, DE, DK, ES, FI, GB, GE, HU, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LK, LT, LU, LV, MD, MG, MN MW, NL, NO, N Z, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SI, SK, TJ, TT, UA, US, UZ, VN

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1.少なくとも第1方向(y)に一定周期λp をもつ実質的に等しい元素の格子 を形成する超伝導物質の複数の第1部分(3、11、21、31、41)と、こ れら第1部分間に分離を実現するようにこれら第1部分に挿入された同じではな い物質で形成された複数の第2部分(4、12、22、32、42)とで作られ たヘテロ構造により形成され、上記複数の第1部分(3、11、21、31、4 1)は、上記方向(y)に測定してサイズL及び周期λp を有していて、フェル ミ準位の電子に対して形状共振状態の条件を満足し、そして上記複数の第2部分 (4、12、22、32、42)は、上記第1部分を形成する超伝導物質の超伝 導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度又はそれより小さいサイズWを有すること を特徴とする臨界温度の高い超伝導体。 2.複数の第1層(11)が第2層(12)と交互になったもので形成され、第 1層(11)、即ち第1部分は、厚みLを有し、そして第2層(12)、即ち第 2部分は、フェルミ準位を形状共振に同調するための厚みWを有する請求項1に 記載の臨界温度の高い超伝導体。 3.方向(z)に距離(h)だけ分離された複数の平行な原子平面(2)によっ て形成され、各平面は、フェルミ準位の電子に対し形状共振状態の条件を満足す るように方向(y)に測定して巾(L)及び周期(λp )をもつ方向(x)に延 びる超伝導物質の複数の縞(3)と、この第1の縞と交互にされてそれと同じで はない物質により形成された複数の第2の縞(4)とによって装飾され、これら 複数の第2の縞(4)は、第1部分を形成する超伝導物質の超伝導ピパードコヒ レンス長さξ0 の程度又はそれより小さいサイズWを有し、そして上記複数の平 面は、上記超伝導の縞(3)を形成する超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス 長さξ0 の程度の距離hだけ分離される請求項1に記載の臨界温度の高い超伝導 体。 4.三次元格子を形成する複数の平行な超伝導線(21)であって、これと同じ でない物質により形成されたマトリクス(22)に埋設される超伝導線によって 形成され、これら複数の線(21)は、形状共振状態を実現するためにフェルミ 準位の電子の波長の半分の整数倍程度のサイズ(L)の区分を有し、そし て超伝導線(21)を形成する超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の程度又はそれより小さい距離(W)だけ分離される請求項1に記載の臨界温度 の高い超伝導体。 5.マトリクス(32)に埋設された三次元格子を形成するように互いに距離( W)だけ分離された超伝導物質で形成された実質的に球状の複数の核(31)に より形成され、これら複数の核(31)は、形状共振状態を実現するためにフェ ルミ準位の電子の波長の半分の整数倍程度のサイズ(L)の区分を有し、そして 超伝導核(31)を形成する超伝導物質の超伝導ピパードコヒレンス長さξ0 の 程度又はそれより小さい距離(W)だけ分離される請求項1に記載の臨界温度の 高い超伝導体。 6.超伝導物質により形成された複数の空の球(41)により形成され、例えば 、互いに距離(W)だけ分離されたフラレン(fullerenes)が、マトリクス(42 )に埋設された三次元格子を形成し、上記複数の空の球(41)は、形状共振状 態を実現するためにサイズ(L)の区分を有し、超伝導物質の超伝導ピパードコ ヒレンス長さξ0 の程度又はそれより小さい距離(W)だけ分離される請求項1 に記載の臨界温度の高い超伝導体。 7.上記請求項のいずれかに記載の超伝導第1部分の超格子により実現され、第 2部分は、異なる結晶格子、異なる組成、又は化学的ドーパントの異なる濃度に ついてのみ、第1部分を形成するものとは異なる物質で形成される請求項1に記 載の臨界温度の高い超伝導体。 8.臨界温度の高い超伝導ヘテロ構造を実現する方法において、 金属又は非金属の物質で作られた基板の表面を調整し、そして格子整合及び /又は表面の平滑化に必要であれば、緩衝剤を付着し、 原子レベルで制御してサイズLの第1超伝導部分を形成し、 間隔Wだけ第1部分を分離するためのスペーサの役割を果たす第2部分を形 成し、これは、第1部分と第2部分との間に原子レベルで良好に定められたドメ イン壁を形成することにより行い、 上記段階を確立された回数だけ繰り返して、三次元超格子を実現し、第1部 分のサイズL及び分離Wは、フェルミ準位が超伝導部分の超格子の「形状共振」 状態に同調されるものであることを特徴とする方法。 9.分子ビームエピタキシー方法を使用して上記ヘテロ構造を得ることを特徴と する臨界温度の高い超伝導ヘテロ構造を実現する方法。 10.請求項1に記載の超伝導層(第1部分)及び非超伝導層(第2部分)の交互 の平行な層により形成された三次元ヘテロ構造を特徴とする臨界温度の高い超伝 導体を、分子ビームエピタキシー又は他の同等の技術、例えば、スパッタリング 、リソグラフィー、化学的合成、電気化学的付着により、界面において良好な結 晶格子一致をもつ2つの物質を使用し、そして選択された厚みの層の原子レベル において平らな界面の成長を制御して、超伝導ユニットの超格子に「形状共振」 状態を得ることにより実現することを特徴とする方法。[Claims] 1. A plurality of first portions (3, 11, 21, 31, 41) of superconducting material forming a lattice of substantially equal elements having a constant period λ p in at least a first direction (y), and these first portions Formed by a heterostructure made up of a plurality of second parts (4, 12, 22, 32, 42) made of non-identical material inserted into these first parts so as to achieve separation between , The plurality of first portions (3, 11, 21, 31, 41) have a size L and a period λ p measured in the direction (y), and for electrons of the Fermi level The condition of the shape resonance condition is satisfied, and the plurality of second portions (4, 12, 22, 32, 42) have a superconducting piped coherence length ξ 0 of the superconducting material forming the first portion. High critical temperature characterized by having a size W of a degree or less Superconductor. 2. A plurality of first layers (11) are formed alternating with second layers (12), the first layer (11) or first portion having a thickness L, and the second layer (12). ), That is, the second portion has a thickness W for tuning the Fermi level to shape resonance. 3. It is formed by a plurality of parallel atomic planes (2) separated by a distance (h) in the direction (z), and each plane has a direction (y ) A plurality of stripes (3) of superconducting material extending in a direction (x) having a width (L) and a period (λ p ) as measured at) and a material which is alternating with this first stripe and which is not the same. And a plurality of second stripes (4) formed by the plurality of second stripes (4), the plurality of second stripes (4) having a superconducting piped coherence length ξ 0 of the superconducting material forming the first portion. Having a size W of a degree or less, and the planes are separated by a distance h of a degree of the superconducting pippard coherence length ξ 0 of the superconducting material forming the superconducting fringes (3). The superconductor having a high critical temperature according to claim 1. 4. A plurality of parallel superconducting wires (21) forming a three-dimensional lattice, the superconducting wires being embedded in a matrix (22) formed of a material which is not the same as the superconducting wires (21). ) Has a size (L) section that is an integral multiple of half the wavelength of electrons in the Fermi level in order to realize a shape resonance state, and is a superconducting material superconducting material that forms the superconducting wire (21). The superconductor having a high critical temperature according to claim 1, wherein the superconductors have a high critical temperature and are separated by a distance (W) that is equal to or smaller than the conduction piped coherence length ξ 0 . 5. Formed by a plurality of substantially spherical nuclei (31) formed of superconducting material separated by a distance (W) from each other to form a three-dimensional lattice embedded in a matrix (32), The nucleus (31) has a size (L) section that is an integral multiple of half the wavelength of electrons in the Fermi level in order to realize a shape resonance state, and the superconducting nucleus (31) is formed. The superconductor having a high critical temperature according to claim 1, wherein the superconductors are separated by a distance (W) that is equal to or less than the superconducting piped coherence length ξ 0 of the substance. 6. Fullerenes formed by a plurality of empty spheres (41) formed of superconducting material, separated for example by a distance (W) from each other, form a three-dimensional lattice embedded in a matrix (42). , The plurality of empty spheres (41) have a size (L) section to realize a shape resonance state, and the distance is less than or equal to the superconducting Pippard coherence length ξ 0 of the superconducting material. The superconductor having a high critical temperature according to claim 1, which is separated only by (W). 7. Realized by a superlattice of a superconducting first part according to any of the preceding claims, the second part forming the first part only for different crystal lattices, different compositions or different concentrations of chemical dopants. The superconductor having a high critical temperature according to claim 1, which is formed of a material different from the above. 8. In a method of achieving a superconducting heterostructure with a high critical temperature, a surface of a substrate made of a metal or non-metal material is prepared, and a buffer is added if necessary for lattice matching and / or surface smoothing. Forming a first superconducting portion of the size L which is attached at an atomic level and forms a second portion which acts as a spacer for separating the first portion by a distance W, which is the first portion And a second part are formed by forming a domain wall well defined at the atomic level, and the above steps are repeated as many times as is established to realize a three-dimensional superlattice, and the size L of the first part is And the separation W is characterized in that the Fermi level is tuned to the "shape resonance" state of the superlattice of the superconducting part. 9. A method for realizing a superconducting heterostructure having a high critical temperature, which comprises obtaining the above heterostructure by using a molecular beam epitaxy method. Ten. A superconductor having a high critical temperature characterized by a three-dimensional heterostructure formed by alternating parallel layers of a superconducting layer (first portion) and a non-superconducting layer (second portion) according to claim 1. , Molecular beam epitaxy or other equivalent techniques such as sputtering, lithography, chemical synthesis, electrochemical deposition, using two materials with good crystal lattice matching at the interface, and layers of selected thickness This method is realized by controlling the growth of a flat interface at the atomic level and obtaining a "shape resonance" state in the superlattice of the superconducting unit.
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